Буферный раствор

При попадании в воду нескольких капель сильной кислоты или основания концентрация ионов водорода полностью меняется. Во многих промышленных, химических и биологических операциях необходимо иметь раствор, значение рН которого не изменяется существенно при добавлении небольших объемов сильных кислот и сильных оснований. Многие жидкости, такие как кровь, имеют определенные значения рН, и колебания этих значений указывают на то, что организм работает неправильно. Контроль pH также имеет решающее значение в широком спектре химических и биологических процессов. Для производства и использования многих медицинских и косметических продуктов требуется определенный рН. Буферные растворы — так называются эти растворы.

Что такое Буферный раствор?

A buffer solution is a solution that resists changes in hydrogen ion concentration when a modest amount of acid or base is added. In other words, such solutions are known to have reverse acidity and reverse basicity and to keep a reasonably steady pH value. A good example of a natural buffer solution is human blood. Despite eating a wide array of meals, our blood maintains a pH of roughly 7.35.

Буферный раствор представляет собой раствор на основе растворителя на водной основе, состоящий из слабой кислоты и сопряженного с ней основания или слабого основания и сопряженной с ней кислоты. Они устойчивы к изменениям pH, вызванным разбавлением или добавлением относительно небольших количеств кислоты или щелочи. При добавлении небольшого количества сильной кислоты или сильного основания рН буферного раствора изменяется очень незначительно. В результате они привыкли поддерживать постоянный уровень pH. Когда ему дается небольшое количество сильной кислоты или основания, его pH меняется очень мало, и поэтому он используется для поддержания стабильного pH раствора.

Буферный раствор — это раствор, который может поддерживать концентрацию ионов водорода (pH) при небольшом разбавлении или добавлении небольшого количества кислоты или основания. Ферментация, консервирование пищевых продуктов, введение лекарств, гальваника, печать, активность ферментов и способность крови переносить кислород — все это требует определенных концентраций ионов водорода (pH) в буферных растворах. Буферные растворы состоят из слабой кислоты и сопряженного с ней основания или слабого основания и сопряженной с ним кислоты, которые могут поддерживать рН.

Подробнее: Что такое равновесие?

Типы буферных растворов

Кислотные и основные буферы представляют собой два типа буферных растворов, которые широко классифицируются. Они обсуждаются более подробно ниже.

Кислотные буферы

Acidic buffer solutions are made up of equimolar amounts of a weak acid and its salt, as well as a strong base. These solutions are used to keep the environment acidic. An acid buffer is made by combining a weak acid and its salt with a strong base to create an acidic pH. 

рН водного раствора, содержащего равное количество уксусной кислоты и ацетата натрия, составляет 4,74. Кроме того, pH этих жидкостей меньше семи. Эти растворы состоят из слабой кислоты и ее соли.

Основные или щелочные буферы

A weak base and its salt are equimolar with a strong acid in a basic buffer solution. These buffer solutions are employed to keep basic conditions. To generate a basic buffer with a basic pH, a weak base and its salt are combined with a strong acid. 

Водный раствор равных частей гидроксида аммония и хлорида аммония имеет рН 9,25. Эти растворы имеют pH больше семи. Они содержат слабое основание и соль слабого основания.

Читайте также: Кислоты, основания и соли

Механизм буферного действия

Чтобы понять, как работает буфер, подумайте о примере буферного раствора, созданного путем объединения ацетата натрия и уксусной кислоты. Ацетатная кислота, как следует из ее названия, представляет собой кислоту с химической формулой CH ₃ COOH, тогда как ацетат натрия диссоциирует в растворе с образованием сопряженного основания CH ₃ COO ^— ионов ацетата. Уравнение реакции:

CH ₃ COOH (водн.) + OH ^– (водн.) ⇢ CH ₃ COO ^– (водн.) + H ₂ O (водн.)

Теперь ацетат-ион можно нейтрализовать, добавив к этому раствору сильную кислоту, например:

CH ₃ COO ^– (водн.) + H ⁺ (водн.) ⇢ CH ₃ COOH (водн.)

Таким образом, исходное равновесие буферной реакции изменяется, и, следовательно, рН остается постоянным.

Приготовление буферного раствора

Буферный раствор можно приготовить, контролируя соотношение соли и кислоты или соли, если известны константы диссоциации кислоты (pKa) и основания (pKb). Слабые основания и их сопряженные кислоты или слабые кислоты и их соответствующие сопряженные основания используются для приготовления этих растворов. Уравнение Хандерсона-Хассельбаха и приготовление кислого и основного буферов.

Уравнение Хендерсона-Хассельбаха

Preparation of Acid Buffer

In an acid buffer solution with a strong base (KOH), consider a weak acid (HA) and its salt (KA). The weak acid (HA) ionises, and the equilibrium is as follows:

H₂O + HA ⇋ H⁺ + A^–

Acid dissociation constant is,

K_a = ([H⁺] [A^–])/[HA]

The RHS and LHS take negative logs:

-log K_a = -log [H⁺] – log ([A^–]/[HA])

pK_a = pH – log ([salt]/[acid])

pH = pK_a + log ([salt]/[acid])

pH of acid buffer solution =  pK_a + ([salt]/[acid])

Уравнение Хендерсона-Хассельбаха иногда называют уравнением Хендерсона.

Preparation of Base Buffer

Consider a basic buffer solution with strong acid, having salt (BA) and a weak base (B).

As a result, the basic buffer solution will be,

pOH = pKb +  log ([salt]/[base])

pOH of a basic buffer solution = pK_b +  log ([salt]/[acid])

pH of a basic buffer solution = pK_a – log ([salt]/[acid])

Важность уравнения Хандерсона

Некоторое значение уравнения Хендерсона состоит в том,

• Он помогает определить рН буфера, полученного из смеси соли и слабой кислоты или основания.
• Для определения значения pKa.
• Для поддержания буферного раствора необходимого рН.

Ограничения уравнения Хендерсона-Хассельбаха

Уравнение Хендерсона-Хассельбальха неприменимо во многих случаях:

• Это уравнение не объясняет тенденцию к самодиссоциации воды.
• Предположения, сформулированные этим уравнением, неприменимы, когда связаны сильные кислоты или основания.

Buffering Capacity

Buffering Capacity is the property of solutions which is represented by the symbol β. It is defined as the ratio of the moles ofacid or base required to change the pH of the solution by 1 and the pH change and the volume of buffers. 

Использование буферных растворов

• Буферные растворы имеют несколько разных названий, включая буферы pH и буферы ионов водорода.
• Многие организмы используют буферные растворы для поддержания оптимального pH для ферментативной активности.
• Использование буферной системы бикарбоната и угольной кислоты для регулирования pH крови животных является примером буфера, используемого для регулирования pH.
• Функция фермента может быть затруднена, признаки могут быть потеряны или ферменты могут даже денатурировать, если отсутствуют определенные буферы. В результате этого процесса денатурации каталитическая функция ферментов может быть полностью дезактивирована.

Часто задаваемые вопросы о буферном растворе

Вопрос 1: Каково ограничение уравнения Хендерсона-Хассельбаха?

Отвечать:

The Henderson – Hasselbalch equation isn’t applicable to strong acids and strong bases.

Вопрос 2: Что такое буферная емкость?

Отвечать:

The buffer capacity is the number of millimoles of acid or base that must be given to a liter of buffer solution to adjust the pH by one unit.

Вопрос 3: Что такое буферное действие?

Отвечать:

The ability of a buffer solution to withstand changes in pH when a little amount of acid or base is added is referred to as buffer action.

Вопрос 4: Каковы преимущества буферных растворов?

Отвечать:

When an acidic or basic component is added, a buffer is a solution that can tolerate the pH change. It has the ability to neutralise small amounts of additional acid or base, allowing the pH of the solution to remain stable. This is critical for processes and reactions that require specific and stable pH ranges.

Вопрос 5: Каково значение уравнения Хандерсона-Хассельбаха?

Отвечать:

The Handerson-Hasselbalch equation can be used to 

• Determine the pH of the buffer made from salt and a weak acid/base mixture.
• Determine the pKa value.
• Produce a buffer solution with the required pH.