Необходимость применения и специфика действия буферных растворов

Для периодической калибровки пш метров, необходим раствор со строго заданным стандартными показателями кислотности, выбираемыми как правило из стандартного ряда PH 1.65, 4.01, 6.86, 9.18 и такой эталон называется буферным раствором.
Его основным качеством является способность противостоять изменению pH при добавлении кислотных или основных компонентов. Буфер способен нейтрализовать небольшое количество добавленной кислоты или основания, поддерживая, таким образом, рН раствора относительно стабильным. Это важно для процессов и/или реакций, требующих определенных и стабильных диапазонов пш.

Приведем 3 самых распространенных примера, встречающихся практике:

• Калибровка приборов. Об этом мы уже упомянули. Может производиться по одной или нескольким точкам (в последнем случае калибровочная кривая более точная);
• Хранение электродов. Они должны сберегаться во влажном состоянии, что не утратит свои измерительные свойства;
• Промывка электродов. Чтобы обеспечить паспортную точность измерения, смывая посторонние химические загрязненимя с датчика, если они присутствуют.

Буферные растворы имеют рабочий диапазон рН, а также емкость, что определяет, сколько кислоты/основания может быть нейтрализовано до изменения кислотно-щелочного баланса, и величину, на которую он изменится.

Состав

Чтобы эффективно поддерживать диапазон pH, раствор должен состоять из слабой сопряженной кислотно-основной пары, то есть либо “слабая кислота + сопряженное с ней основание (имеющее гидроксильную группу OH)”, либо “слабое основание + сопряженная с ним кислота”. Использование первого или второго варианта будет зависеть от желаемого значения рН при приготовлении буфера. Например, следующие компоненты могут функционировать как буферы при совместном использовании в растворе:

• Аммиак (слабое основание с формулой NH3) + соль, содержащая сопряженную кислоту, катион аммония, например гидроксид аммония (NH4OH);
• Уксусная кислота (слабая органическая кислота с формулой CH3COOH) + соль, содержащая сопряженное с ней основание, ацетат-анион (CH3COO^-), например ацетат натрия (CH3COONa);
• Пиридин (слабое основание с формулой C5H5N) + соль, содержащая его сопряженную кислоту, катион пиридиния (C5H5NH⁺), например хлорид пиридиния.

Как это работает ?

Как мы уже отметили, буфер способен противостоять изменению pH, потому что два компонента (сопряженная кислота и сопряженное с ней основание) присутствуют в равновесии и способны нейтрализовать небольшие количества других кислот и оснований (в форме H3O⁺ и OH^-). Чтобы объяснить это явление, мы можем рассмотреть пример буфера из плавиковой кислоты (HF) и фторида натрия (NaF).
Отметим, что несмотря на то, что плавиковая кислота является слабой (константа диссоциации составляет 6,8⋅10⁻⁴), и происходит это из-за сильного притяжения между сольватированными протонами (H3O+) и относительно небольшим ионом F-, что не позволяет кислоте полностью диссоциировать в воде.

* Справочно. Сальватация – электростатическое взаимодействие между частицами в растворе (молекулы , ионы).

Следовательно, если мы получим HF в водном растворе, мы установим следующее равновесие лишь с небольшой диссоциацией (Ka(HF) = 6,6x10^-4, сильно благоприятствует реагентам):
HF_{(водный)}+H2O(l)⇌F⁻_{(водный)}+H3O⁺_{(водный)}

Затем мы можем добавить и растворить фторид натрия в растворе и смешивать их до тех пор, пока не достигнем желаемого объема и pH, при которых мы хотим буферизовать. При растворении фторида натрия в воде. реакция идет до конца, при этом получаем:
NaF_{(водный)}+H2O→Na⁺_{(водный)}+F⁻_{(водный)}

Добавление NaF к описываемому раствору, увеличит концентрацию F^- в буферном растворе и, следовательно, по принципу Ле-Шателье, приведет к несколько меньшей диссоциации HF и в предыдущем равновесии. Наличие значительных количеств как сопряженной фтороводородной кислоты, так и сопряженного основания F^- позволяет раствору функционировать как буфер.

* Справочно. Принцип Ле Шателье гласит, что если динамическое равновесие нарушается изменением условий, положение равновесия смещается, чтобы противодействовать изменению и восстановить равновесие. Если химическая реакция находится в равновесии и испытывает изменение давления, температуры или концентрации продуктов или реагентов, равновесие смещается в противоположном направлении, чтобы компенсировать это изменение.

Как мы видим, в пределах рабочего диапазона буфера. рН очень мало меняется при добавлении кислоты или основания.

По сути, отсюда и название взялось с точки зрения ассоциации. В физическом смысле буфер это зона на земле, куда например не ступают враждующие стороны.
А в химическом смысле, буфер способен сдерживать в определенных пределах уровень ph при добавлении “возмущающих” компонентов.

Однако, как только буферная способность будет превышена, то скорость изменения pH резко возрастает. Это происходит потому, что сопряженная кислота или основание были истощены в результате нейтрализации.
И это раствор уже не будет выступать как буфер. Утрачивает свои буферные свойства.