Необхідність застосування та специфіка дії буферних розчинів

Для періодичного калібрування пш метрів, необхідний розчин із строго заданим стандартними показниками кислотності, що вибираються зазвичай зі стандартного ряду PH 1.65, 4.01, 6.86, 9.18 і такий еталон називається буферним розчином.
Його основною якістю є здатність протистояти зміні pH при додаванні кислотних чи основних компонентів. Буфер здатний нейтралізувати невелику кількість доданої кислоти або основи, підтримуючи таким чином рН розчину відносно стабільним. Це важливо для процесів та/або реакцій, що вимагають певних та стабільних діапазонів пш.

Наведемо 3 найпоширеніші приклади, що зустрічаються на практиці:

• Калібрування приладів. Про це ми вже згадали. Може проводитися за однією або декількома точками (в останньому випадку калібрувальна крива більш точна);
• Зберігання електродів. Вони повинні зберігатися у вологому стані, що не втратити свої вимірювальні властивості;
• Промивання електродів. Щоб забезпечити паспортну точність вимірювання, змиваючи сторонні хімічні забруднення з датчика, якщо вони присутні.

Буферні розчини мають робочий діапазон рН, а також ємність, що визначає, скільки кислоти/основи може бути нейтралізовано до зміни кислотно-лужного балансу та величину, на яку він зміниться.

З чого складається ?

Щоб ефективно підтримувати діапазон pH, розчин повинен складатися зі слабкої сполученої кислотно-основної пари, тобто або "слабка кислота + пов'язана з нею основа (має гідроксильну групу OH)", або "слабка основа + сполучена з ним кислота". Використання першого або другого варіанта залежатиме від бажаного рН при приготуванні буфера. Наприклад, такі компоненти можуть функціонувати як буфери при спільному використанні в розчині:

1. Аміак (слабка основа з формулою NH3) + сіль, що містить сполучену кислоту, катіон амонію, наприклад гідроксид амонію (NH4OH).
2. Оцтова кислота (слабка органічна кислота з формулою CH3COOH) + сіль, що містить пов'язану з нею основу, ацетат-аніон (CH3COO^-), наприклад ацетат натрію (CH3COONa).
3. Піридин (слабка основа з формулою C5H5N) + сіль, що містить його сполучену кислоту, катіон піридинію (C5H5NH⁺), наприклад, хлорид піридинія.

Як це працює ?

Як ми вже зазначили, буфер здатний протистояти зміні pH, тому що два компоненти (сполучена кислота і пов'язана з нею основа) присутні в рівновазі і здатні нейтралізувати невеликі кількості інших кислот і основ (у формі H3O⁺ та OH^-). Щоб пояснити це явище, ми можемо розглянути приклад буфера з плавикової кислоти (HF) та фториду натрію (NaF).
Зазначимо, що незважаючи на те, що плавикова кислота є слабкою (константа дисоціації становить 6,8⋅10⁻⁴), і відбувається це через сильне тяжіння між сольватованими протонами (H3O⁺) та відносно невеликим іоном F^-, що не дозволяє кислоті повністю дисоціювати у воді.

* Довідково. Сальватація - електростатична взаємодія між частинками в розчині (молекули, іони).

Отже, якщо ми отримаємо HF у водному розчині, ми встановимо наступну рівновагу лише з невеликою дисоціацією (Ka(HF) = 6,6x10^-4, що сильно сприяє реагентам):
HF_{(водний)}+H2O(l)⇌F⁻_{(водный)}+H3O⁺_{(водний)}

Потім ми можемо додати і розчинити фторид натрію в розчині і змішувати їх доти, доки не досягнемо бажаного об'єму та pH, при яких ми маємо намір буферизувати. При розчиненні натрію фториду у воді, реакція йде до кінця, при цьому отримуємо:
NaF_{(водний)}+H2O→Na⁺_{(водний)}+F⁻_{(водний)}

Додавання NaF до описуваного розчину збільшить концентрацію F^- в буферному розчині і, отже, за принципом Ле-Шательє, призведе до дещо меншої дисоціації HF і в попередній рівновазі. Наявність значних кількостей як сполученої фтороводородної кислоти, так і сполученої основи F- дозволяє розчину функціонувати як буфер.

* Довідково. Принцип Ле Шательє говорить, що якщо динамічна рівновага порушується зміною умов, положення рівноваги зміщується, щоб протидіяти зміні та відновити рівновагу. Якщо хімічна реакція перебуває в рівновазі і зазнає зміни тиску, температури або концентрації продуктів або реагентів, рівновага зміщується в протилежному напрямку, щоб компенсувати цю зміну.

Як бачимо, у межах робочого діапазону буфера, рН дуже мало змінюється при додаванні кислоти або основи.

По суті, звідси назва взялася з погляду асоціації. У фізичному сенсі буфер це зона на землі, куди, наприклад, не ступають ворогуючі сторони.
А в хімічному сенсі, буфер здатний стримувати в певних межах рівень ph при додаванні компонентів, що "обурюють".

Однак, як тільки буферна здатність буде перевищена, швидкість зміни pH різко зростає. Це відбувається тому, що сполучена кислота або основа були виснажені в результаті нейтралізації.
І цей розчин вже не виступатиме як буфер. Втрачає свої буферні властивості.