Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Разбавление — буферный раствор

Буферная емкость зависит от концентрации компонентов буферного раствора. Разбавление буферного раствора не влияет заметно на изменение рН, но значительно отражается на буферной емкости. [31]

При разбавлении буферного раствора водой отношение аналитических концентраций слабой кислоты и ее соли остается постоянным. Коэффициенты активности могут изменяться по-разному. Однако при разбавлении буферных растворов их рН изменяется незначительно и в ряде случаев этим изменением можно пренебречь. Этот пример показывает также, что буферные смеси можно приготовлять не только из кислоты ( или основания) и соли, но и из двух солей на разных ступенях диссоциации. [32]

При разбавлении буферного раствора водой отношение аналитических концентраций слабой кислоты и ее соли остается постоянным. Коэффициенты же активности могут изменяться по-разному. Однако при разбавлении буферных растворов их рН изменяется незначительно, и в ряде случаев этим изменением можно пренебречь. Этот пример показывает также, что буферные смеси можно приготовлять не только из кислоты ( или основания) и соли, но и из двух солей на разных ступенях диссоциации. [33]

Из первых пробирок надо взять только по 1 мл раствора, сливая остатки из пипетки обратно в каждую из исходных пробирок для сохранения определенного объема раствора. Во все пробирки добавляют по 2 капли метилового красного ( 0 1 г индикатора в смеси 300 мл 90 % спирта — — 200 мл воды) и, сравнивая окраску разбавленных растворов с неразбавленными, делают вывод о влиянии разбавления буферных растворов на величину рН и влиянии соотношения кислоты и соли на рН раствора. [34]

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Разбавление — буферный раствор

Разбавление буферного раствора водой или концентрирование его путем выпаривания также почти не изменит рН, так как не изменится соотношение концентраций компонентов, от которого зависит концентрация Н — и ОН — — ионов. Если, например, при разбавлении того же ацетатного буферного раствора водой концентрация Н — ионов уменьшается, то это уменьшение компенсируется увеличением степени диссоциации уксусной кислоты. [1]

Разбавление буферного раствора водой или концентрирование его путем выпаривания также почти не изменит величины рН, так как не изменится соотношение концентраций компонентов, от которого зависит концентрация Н — и ОН — ионов. Если, например, при разбавлении того же ацетатного буферного раствора водой концентрация Н — ионов уменьшается, то это уменьшение компенсируется увеличением степени диссоциации уксусной кислоты. [2]

При разбавлении буферного раствора водой отношение аналитических концентраций слабой кислоты и ее соли остается постоянным. Коэффициенты активности могут изменяться по-разному. Однако при разбавлении буферных растворов их рН изменяется незначительно и в ряде случаев этим изменением можно пренебречь. Этот пример показывает также, что буферные смеси можно приготовлять не только из кислоты ( или основания) и соли, но и из двух солей на разных ступенях диссоциации. [4]

При разбавлении буферного раствора водой рН изменяется очень незначительно, так как, хотя концентрация слабой кислоты или слабого основания уменьшается, концентрация образуемых ими ионов водорода или гидроксид-ионов увеличивается за счет повышения степени диссоциации электролита. Эти два процесса взаимно компенсируются, и в конечном результате концентрация ионов водорода или гидроксид-ионов сохраняется постоянной. [5]

При разбавлении буферного раствора водой отношение аналитических концентраций слабой кислоты и ее соли остается постоянным. Коэффициенты же активности могут изменяться по-разному. Однако при разбавлении буферных растворов их рН изменяется незначительно, и в ряде случаев этим изменением можно пренебречь. Этот пример показывает также, что буферные смеси можно приготовлять не только из кислоты ( или основания) и соли, но и из двух солей на разных ступенях диссоциации. [7]

При разбавлении буферных растворов также не происходит изменения рН среды, так как не происходит изменения соотношения компонентов, от которых зависит концентрация Н и ОН — буферных систем. [8]

При разбавлении буферных растворов , а также при добавлении к ним нейтральных солей незначительные изменения а обусловлены изменением величины коэффициентов активности. [9]

При разбавлении водой буферных растворов концентрация водородных ионов в них почти не изменяется. [10]

Поскольку число разбавления эквимоляльного буферного раствора кислотного типа изменяет знак при высоких рН, то при разбавлении рН будет проходить через максимум. Подобным же образом число разбавления слабоосновного буфера меняет знак при низких значениях рН и при разбавлении раствора рН может пройти через минимум. В области промежуточных значений рН кривые для каждой концентрации буфера превращаются в прямые линии и число разбавления не зависит от константы диссоциации слабой кислоты или основания. [12]

Поскольку число разбавления эквимоляльного буферного раствора кислотного типа изменяет знак при высоких рН, то при разбавлении рН будет проходить через максимум. Подобным же образом число разбавления слабоосновного буфера меняет знак при низких значениях рН и при разбавлении раствора рН может пройти через минимум. В области промежуточных значений рН кривые для каждой концентрации буфера превращаются в прямые линии и число разбавления не зависит от константы диссоциации слабой кислоты или основания. [14]

Анализ уравнений (4.26) и (4.31) показывает, что разбавление буферных растворов практически не меняет концентрации водородных ионов ( рН) раство ра, так как отношения концентрации соли и кислоты или соли и основания, входящие в эти уравнения, при разбавлении не меняются. Очевидно, что при разбавлении растворов только кислоты или основания происходило бы пропорциональное изменение концентрации водородных ионов, если не учитывать изменения степени диссоциации. [15]

Источник

Буферные растворы (буферные смеси, буферы)

Описание: Их обычно готовят путем растворения в воде взятых в соответствующих пропорциях слабой кислоты и ее соли образованной щелочным металлом частичной нейтрализацией слабой кислоты сильной щелочью или слабого основания сильной кислотой растворением смеси солей многоосновной кислоты. Интервал значений рН в котором буферный раствор обладает устойчивыми буферными свойствами лежит в пределах рК 1 рК — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации слабой кислоты входящей в его состав. БУФЕРНЫЕ СМЕСИ Если к раствору какой-либо кислоты.

Дата добавления: 2015-10-19

Размер файла: 31.11 KB

Работу скачали: 138 чел.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

[2] БУФЕРНЫЕ СМЕСИ

[2.1] Кислотно-основные буферные растворы

[2.2] Классификация буферных систем

[2.3] Расчет рН буферных растворов

[2.4] Свойства буферных растворов

[2.5] Сущность буферного действия

[2.6] Значение рН в буферных растворах

[2.7] Буферная емкость

[2.8] Буферные свойства растворов сильных кислот и оснований.

[2.9] Приготовление буферных растворов

[2.10] Применение буферных растворов в химическом анализе

[4] БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ (буферные смеси, буферы) — растворы, содержащие буферные системы и обладающие вследствие этого способностью поддерживать рН на постоянном уровне. Их обычно готовят путем растворения в воде взятых в соответствующих пропорциях слабой кислоты и ее соли, образованной щелочным металлом, частичной нейтрализацией слабой кислоты сильной щелочью или слабого основания сильной кислотой, растворением смеси солей многоосновной кислоты. Величина рН приготовленных таким образом буферных растворов незначительно меняется с температурой. Интервал значений рН, в котором буферный раствор обладает устойчивыми буферными свойствами, лежит в пределах рК ± 1 (рК — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации слабой кислоты, входящей в его состав). Наиболее известными буферными растворами являются: глициновый Серенсена, ацетатный Вальполя, фосфатный Серенсена, боратный Палича, вероналовый Михаэлиса, карбонатный Кольтгофа, трис-буфер, универсальный вероналовый Михаэлиса и др.

В лабораторной практике буферные растворы применяются для сохранения активной реакции среды на определенном неизменном уровне и для определения водородного показателя (рН) — в качестве стандартных растворов с устойчивыми значениями рН и др.

БУФЕРНЫЕ СМЕСИ

Если к раствору какой-либо кислоты или щелочи прибавить воду, то, разумеется, концентрация ионов водорода или гидроксила соответственно уменьшается. Но если прибавить некоторое количество воды к смеси уксусной кислоты и ацетата натрия или к смеси гидроокиси аммония и хлорида аммония, то концентрация ионов водорода и гидроксила в этих растворах не изменится.

Свойства некоторых растворов сохранять неизменной концентрацию ионов водорода при разбавлении, а также при добавлении небольших количеств сильных кислот или щелочей известно под названием буферного действия.

Растворы, содержащие одновременно какую-либо слабую кислоту и ее соль или какое-либо слабое основание и его соль и оказывающие буферное действие, называют буферными растворами. Буферные растворы можно рассматривать как смеси электролитов, имеющих одноименные ионы. Присутствие в растворе слабой кислоты или слабого основания и их солей уменьшает влияние разбавления или действия других кислот и основании на рН раствора.

Такими буферными растворами являются следующие смеси СН 3 СООН+СН 3 С OON а, NH 4 OH + NH 4 Cl , Na 2 CO 3 + NaHCO 3 и др.

Буферный растворы, представляющие собой смеси слабых кислот и их солей, как правило имеют кислую реакцию (рН 3 СООР + 0,1М раствора СН 3 СО ONa имеет рН = 4,7.

Буферные растворы, представляющие собой смеси слабых основании и их солей, как правило, имеют щелочную реакцию (рН>7). Например, буферная смесь 0,1М раствора N Н 4 ОН + 0,1М раствора N Н 4 С1 имеет рН = 9,3.

Кислотно-основные буферные растворы

В широком смысле буферными называют системы, поддерживающие определенное значение какого-либо параметра при изменении состава. Буферные растворы могут быть

– кислотно-основными — поддерживают постоянное значение рН при добавлении небольших количеств кислоты или основания.

— окислительно-восстановительными – сохраняют постоянным потенциал системы при введении окислителей или восстановителей.

известны металлобуферные растворы, которые поддерживают постоянное значение рН.

Во всех случаях буферный раствор представляет собой сопряженную пару. В частности, кислотно-основные буферные растворы содержат сопряженную кислотно-основную пару. Буферное действие этих растворов обусловлено наличием кислотно-основного равновесия общего типа:

о снование сопряженная

Так как в данном разделе рассматриваются только кислотно-основные буферные растворы, будем называть их буферными, опуская в названии «кислотно-основные».

Буферными растворами называют растворы, поддерживающие постоянное значение рН при разбавлении и добавлении небольших количеств кислоты или основания.

Классификация буферных систем

1. смеси растворов слабых кислот и их солей. Например, ацетатный буферный раствор.

2. смеси растворов слабых оснований и их солей. Например, аммонийный буферный раствор.

3. смеси растворов солей многоосновных кислот различной степени замещения. Например, фосфатный буферный раствор.

4. ионы и молекулы амфолитов. К ним относятся, например, аминокислоты и белковые буферные системы. Находясь в изоэлектрическом состоянии, аминокислоты и белки не являются буферными. Буферное действие проявляется только тогда, когда к ним добавляется некоторое количество кислоты или щелочи. При этом образуется смесь двух форм белка: а) слабая «белок кислота» + соль этой слабой кислоты; б) слабое «белок основание» + соль этого слабого основания. Таким образом, этот тип буферных систем можно отнести к буферным системам первого или второго типа.

Расчет рН буферных растворов

В основе расчета рН буферных систем лежит закон действующих масс для кислотно-основного равновесия. Для буферной системы, состоящей из слабой кислоты и ее соли, например, ацетатной, концентрацию ионов H + легко вычислить, исходя из константы равновесия уксусной кислоты:

CH 3 COOH ↔ CH 3 COO — + H +

Из (1) следует, что концентрация ионов водорода равна

В присутствии CH 3 COONa кислотно-основное равновесие уксусной кислоты сдвинуто влево. Поэтому концентрация недиссоциированной уксусной кислоты практически равна концентрации кислоты, т.е. [СН 3 COOH ] = с кисл.

Главный источник ацетат-ионов – сильный электролит CH 3 COONa :

CH 3 COONa → Na + + CH 3 COO — ,

Поэтому можно принять, что [ CH 3 COO — ] = с соли . С учетом сделанных допущений уравнение (2) принимает вид:

Отсюда получают уравнение Гендерсона-Хассельбаха для буферных систем, состоящих из слабой кислоты и ее соли:

Для буферной системы, состоящей из слабого основания и его соли, например, аммиачной, концентрацию ионов водорода в растворе можно рассчитать исходя из константы диссоциации слабого основания.

NH 3 × H 2 O = NH 4 OH ↔ NH 4 + + OH —

Выразим концентрацию ионов OH — из ионного произведения воды

и подставим в (4).

Из (6) следует, что концентрация ионов водорода равна

В присутствии NH 4 Cl кислотно-основное равновесие сдвинуто влево. Поэтому концентрация недиссоциированного аммиака практически равна концентрации аммиака, т.е. [ NH 4 OH ] = с осн.

Главный источник катионов аммония – сильный электролит NH 4 Cl :

NH 4 Cl → NH 4 + + Cl — ,

Поэтому можно принять, что [ NH 4 + ] = с соли . С учетом сделанных допущений уравнение (7) принимает вид:

Отсюда получают уравнение Гендерсона-Хассельбаха для буферных систем, состоящих из слабого основания и его соли:

Аналогичным образом можно рассчитать рН буферной системы, состоящей из смеси растворов солей многоосновных кислот различной степени замещения, например, фосфатной, состоящей из смеси растворов гидрофосфата ( Na 2 HPO 4 ) и дигидрофосфата ( NaH 2 PO 4 ) натрия. В основе ее действия лежит кислотно-основное равновесие:

H 2 PO 4 — ↔ Н + + HPO 4 2-

слабая кислота сопряженное основание

Выразив из (10) концентрацию ионов водорода и сделав следующие допущения:

[ H 2 PO 4 — ] = c ( H 2 PO 4 — ); [ HPO 4 2- ] = c ( HPO 4 2- ), получим:

Прологарифмировав это выражение и поменяв знаки на противоположные, получим уравнение Гендерсона-Хассельбаха для рассчета рН фосфатной буферной системы

Где рК b ( H 2 PO 4 — ) – отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации

фосфорной кислоты по второй ступени; с ( H 2 PO 4 — ) и с ( HPO 4 2- ) соответственно концентрации кислоты и соли.

Свойства буферных растворов

Значение рН буферных растворов остается неизменным при разбавлении, что следует из уравнения Гендерсона-Хассельбаха. При разбавлении буферного раствора водой концентрации обоих компонентов смеси уменьшаются в одинаковое число раз. Следовательно, величина рН при этом не должна изменяться. Однако опыт показывает, что некоторое изменение рН, хотя и незначительное, все же происходит. Это объясняется тем, что уравнение Гендерсона-Хассельбаха является приближенным и не учитывает межионных взаимодействий. При точных расчетах следует учитывать изменение коэффициентов активности сопряженных кислоты и основания.

Буферные растворы мало изменяют рН при добавлении небольших количеств кислоты или основания. Способность буферных растворов поддерживать постоянство рН при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или сильного основания, основана на том, что одна составная часть буферного раствора может взаимодействовать с H + прибавляемой кислоты, а другая с OH — прибавляемого основания. Вследствие этого буферная система может связывать как H + , так и OH — и до определенного предела сохранять постоянство величины рН. Продемонстрируем это на примере формиатной буферной системы, представляющей собой сопряженную кислотно-основную пару HCOOH / HCOO — . Равновесие в растворе формиатного буферного раствора можно представить уравнением:

HCOOH ↔ HCOO — + H +

При добавлении сильной кислоты сопряженное основание HCOO — связывает добавленные ионы H + , превращаясь в слабую муравьиную кислоту:

HCOO — + H + ↔ HCOOH

В соответствии с принципом Ле Шателье равновесие смещается влево.

При добавлении щелочи протоны муравьиной кислоты связывают добавленные ионы ОН — в молекулы воды:

HCOOH + ОН — → HCOO — + H 2 O

Кислотно-основное равновесие согласно Ле Шателье смещается вправо.

В обоих случаях происходят небольшие изменения в соотношении HCOOH / HCOO — , но логарифм этого соотношения меняется мало. Следовательно, незначительно меняется и рН раствора.

Сущность буферного действия

Действие буферных растворов основано на том, что отдельные компоненты буферных смесей связывают ионы водорода или гидроксила вводимых в них кислот и основании с образованием слабых электролитов. Например, если к буферному раствору, содержащему слабую кислоту НА n и соль этой кислоты Kt А n , прибавить щелочь, то произойдет реакция образования слабого электролита-воды:

Следовательно, если к буферному раствору, содержащему кислоту, прибавить щелочь, то ионы водорода, образующиеся при электролитической диссоциации кислоты НА n , связываются с ионами гидроксила прибавленной щелочи, образуя слабый электролит-воду. Вместо израсходованных ионов водорода, вследствие последующей диссоциации кислоты НА n , появляются новые ионы водорода. В результате прежняя концентрация Н + — ионов в буферном растворе восстановятся до первоначального значения.

Если к указанной буферной смеси прибавить сильную кислоту, то произойдет реакция:

т.е. А n — — ионы, образующиеся при электролитической диссоциации соли К t А n , соединяясь с ионами водорода прибавленной кислоты, образуют молекулы слабой кислоты. Поэтому концентрация ионов водорода от прибавленной сильной кислоты к буферной смеси практически не изменится. Подобным же образом можно объяснить действие других буферных смесей.

Значение рН в буферных растворах

Меняя соотношения и можно получить буферные

растворы, отличающиеся плавным изменением рН от них минимально возможных значений. В водном растворе слабой кислоты

[ Н + ] = √K HAn * C HAn

pH = − lg [ Н + ] = − − lg K HAn − − lg C HAn

Но так как K HAn представляет собой постоянную величину, то ее лучшее представить в виде pK HAn т.е. показателя константы электролитической диссоциации: pK Han = − lg K HAn .

Тогда получим, что в водном растворе слабой кислоты:

рН = − lg [Н + ] = − − pK HAn − − pC HAn

По мере прибавления к водному раствору слабой кислоты ее соли рН раствора будет меняться.

Согласно уравнению, в растворе, содержащем смесь слабой кислоты и ее соли [Н + ] = K HAn

рН = − lg [Н + ] = − lg K HAn − lg C HAn + lg C Kt А n .

Аналогично выводим формулу применительно к слабым основаниям:

[ОН ] = √K KtOH * C KtOH

pOH = − lg [ ОН ] = − − lg K KtOH − − lg C KtOH

Концентрацию ионов водорода также выражают следующей формулой [Н + ] = , поэтому

рН = pK w − (− pK KtOH − − lg C KtOH )

Согласно уравнению, в растворе, содержащем смесь слабого основания и его соли

рН = − lg [ Н + ] = − lg K w + lg K KtOH − lgC Kt А n + lg C KtOH.

Нет никакой необходимости запоминать выведенные формулу значении рН, так как они очень легко выводятся путем логарифмирования простых формул, выражающих значение [Н + ].

Буферная емкость

Способность буферных растворов поддерживать постоянство значения рН небезгранична и зависит от качественного состава буферного раствора и концентрации его компонентов. При добавлении к буферному раствору значительных количеств сильной кислоты или щелочи наблюдается заметное изменение рН. причем для различных буферных смесей, отличающихся друг от друга по составу, отличающихся друг от друга по составу, буферное действие неодинаково. Следовательно, буферные смеси можно различать по силе оказываемого ими сопротивления по отношению к действию кислот и щелочей, вводимых в буферный раствор в одинаковых количествах и определенной концентрации. Предельное количество кислоты или щелочи определенной концентрации (в моль/л или г-экв/л), которое можно добавить к буферному раствору, чтобы значение рН его изменилось только на одну единицу, называют буферной емкостью.

Если величина [Н + ] одного буферного раствора изменяется при добавленной сильной кислоты меньше, чем величина [Н + ] другого буферного раствора при добавлении того же количества кислоты, то первая смесь обладает большей буферной емкостью. Для одного и того же буферного раствора буферная емкость тем больше, чем выше концентрация его компонентов.

Буферные свойства растворов сильных кислот и оснований.

Растворы сильных кислот и оснований при достаточно высокой концентрации тоже обладают буферным действием. Сопряженными системами в этом случае являются Н 3 О + /Н 2 О – для сильных кислот и ОН — /Н 2 О – для сильных оснований. Сильные кислоты и основания полностью диссоциированы в водных растворах и поэтому характеризуются высокой концентрацией ионов гидроксония или гидроксил — ионов. Добавление к их растворам небольших количеств сильной кислоты или сильного основания, поэтому оказывает лишь незначительное влияние на рН раствора.

Приготовление буферных растворов

1. Разбавлением в мерной колбе соответствующих фиксаналов.

2. Смешением рассчитанных по уравнению Гендерсона-Хассельбаха количеств подходящих сопряженных кислотно-основных пар.

3. Частичной нейтрализацией слабой кислоты сильной щелочью или слабого основания сильной кислотой.

Так как буферные свойства проявляются очень слабо, если концентрация одного компонента в 10 раз и более отличается от концентрации другого, буферные растворы часто готовят смешением растворов равной концентрации обоих компонентов или прибавлением к раствору одного компонента соответствующего количества реагента, приводящего к образованию равной концентрации сопряженной формы. В справочной литературе имеются подробные рецепты приготовления буферных растворов для различных значений рН.

Применение буферных растворов в химическом анализе

Буферные растворы широко применяют в химическом анализе в тех случаях, когда по условиям опыта химическая реакция должна протекать при соблюдении точного значения рН, не меняющегося при разбавлении раствора или при добавлении к нему других реагентов. Например, при проведении реакции окисления-восстановления, при осаждении сульфидов, гидроокисей, карбонатов, хроматов, фосфатов и др.

Приведем некоторые случаи использования их в целях анализа:

— Ацетатный буферный раствор (СНзСООН + СН 3 СОО Na ; рН = 5) применяют при осаждении осадков, неосаждаемых в кислых или щелочных растворах. Вредное влияние кислот подавляет ацетат натрия, который вступает в реакцию с сильной кислотой. Например:

НС1 + СН 3 СОО N а → СН 3 СООН + Na С1

или в ионной форме

Н + + СН 3 СОО → СН 3 СООН.

-Аммиачно -аммонийный буферный раствор ( N Н 4 ОН + N Н 4 С1; рН = 9) применяют при осаждении карбонатов бария, стронция, кальция и отделения их от ионов магния; при осаждении сульфидов никеля, кобальта, цинка, марганца, железа; а также при выделении гидроокисей алюминия, хрома, бериллия, титана, циркония, железа и т.п.

— Формиатный буферный раствор (НСООН + НСОО N а; рН = 2) применяют при отделении ионов цинка, осаждаемых в виде ZnS в присутствии ионов кобальта, никеля, марганца, железа, алюминия и хрома.

— Фосфатный буферный раствор ( N а 2 НРО 4 + N аН 2 РО; рН = 8) использует при проведении многих реакции окисления-восстановления.

Для успешного применения буферных смесей в целях анализа необходимо помнить о том, что не всякая буферная смесь пригодна для анализа. Буферную смесь выбирают в зависимости от ее назначения. Она должна удовлетворять определенному качественному составу, а ее компоненты должны присутствовать в растворе в определенных количествах, так как действие буферных смесей зависит от соотношения концентрации их компонентов.

Выше перечисленное можно представить в виде таблицы.

Источник