Буферные растворы. В водном растворе слабых кислот или оснований устанавливается равновесие, которому соответствуют равновесные значения концентраций ионов и недиссоциированных

 

В водном растворе слабых кислот или оснований устанавливается равновесие, которому соответствуют равновесные значения концентраций ионов и недиссоциированных молекул:

HAn Û H⁺ + An^-, KatOH Û Kat⁺ + OH^-.

Изменение концентрации одного из ионов в растворе смещает равновесие. Изменение концентрации ионов H⁺ вызывается добавлением сильной кислоты, ионов ОH^- – добавлением сильного основания, катионов металла (Kat⁺) и анионов кислот (An^-) – добавлением растворимых солей, содержащих соответствующие ионы.

На практике большое значение имеют растворы, содержащие слабую кислоту или слабое основание и соль этой же кислоты или основания:

HAn + KatAn, KatOH + KatAn.

Они получили название буферные растворы, поскольку обладают свойством незначительно изменять величину pH при добавлении в них кислоты или щелочи. Это связано с тем, что рН этих растворов (равновесная концентрация ионов водорода) будет определяться концентрацией не только кислоты или основания, но и соли. Например, буферный раствор содержит слабую кислоту HAn (концентрация – С _к) и соль этой кислоты (концентрация – С _с). Концентрация ионов водорода определяется диссоциацией кислоты:

HAn Û H⁺ + An^-, .

Поскольку в растворе присутствует соль, которая является сильным электролитом (a®1), то концентрация анионов в растворе будет определяться в основном анионами, получающимися в результате диссоциации соли, а не диссоциации слабой кислоты (a®0):

KatAn Û Kat⁺ + An^-.

Поэтому можно считать, что концентрация анионов будет равна концентрации соли:

[An^-]» С _с..

Поскольку [Н⁺]< < [An^-], то равновесие смещено в сторону образования недиссоциированных молекул кислоты. Поэтому тем более можно считать, что их концентрация равна концентрации кислоты:

[HAn]» С _к.

Концентрация ионов водорода в буферном растворе будет зависеть от соотношения концентраций соли и кислоты:

® .

Добавление к буферному раствору кислоты или щелочи приводит к незначительному сдвигу установившегося в системе равновесия. Так, добавление ионов H⁺ ([H⁺]< < C _c) вызовет их дополнительную ассоциацию с анионами. При этом концентрация кислоты в недиссоциированной форме и концентрация соли изменятся слабо, соответственно практически не изменится величина pH. Добавленные ионы OH^- ([ОH^-]< < C _к) будут связываться ионами водорода (OH^-+H⁺®H₂О). Уменьшение их концентрации будет скомпенсировано в результате диссоциации слабой кислоты.

Аналогичные процессы протекают в буферных растворах, содержащих слабое основание и соответствующую соль. В этом случае концентрация ионов ОH^- будет равна:

.

Очевидно, что количество сильной кислоты или основания, незначительно меняющих рН буферного раствора, ограничено. Характеристикой способности буферного раствора сохранять значение рН является емкость буфера, которая равна количеству кислоты или основания, необходимому для изменения pH раствора на единицу.