Буферные растворы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБПОУ «Самарский политехнический колледж»

РЕФЕРАТ

по дисциплине: "Аналитическая химия"

по теме: "Буферные растворы"

Самара 2018

Содержание

Введение

Буферные растворы и их свойства

Заключение

Литература

Введение

Буферные растворы -- это такие растворы, pH которых почти не зависит от разбавления и почти не меняется при добавлении к ним небольших количеств кислот и щелочей. Наиболее распространенные буферные растворы содержат, как правило, слабую кислоту (CH₃COOH, H₂СO₃, H₃PO₄ и др.) и соль этой же кислоты. Например, буферными свойствами обладают смеси кислых и средних солей одной кислоты или смеси двух кислых солей, например NaHCO₃ + Na₂CO₃, NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄. Смеси небольших равных количеств NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄ (или соответствующих калиевых солей) позволяют поддерживать реакцию воды, близкую к нейтральной (pH в интервале от 6,5 до 7,5).

Так называемый аммиачный буфер образует водный раствор аммиака и какая-нибудь соль аммонии: NH₄ОН + NH₄Cl. Буферные свойства аквариумной воды обусловлены содержанием в ней углекислоты H₂СO₃ и ее кислых солей Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Буферные растворы находят применение в тех случаях, когда надо поддержать определенное значение pH. Они могут быть использованы аквариумистами при лечении рыб, обеззараживании водной растительности, при борьбе с вредителями аквариума, проведении химического анализа аквариумной воды и т. д.

Рассмотрим подробнее, что же такое буферный раствори и каковы его основные свойства.

1. Буферные растворы и их свойства

Растворы, способные сохранять практически постоянное значение рН при разбавлении, при добавлении небольшого количества сильных кислот или щелочей, называют буферными растворами, или буферными смесями.

К таким растворам относят смеси сопряженных кислот и оснований. Например:

Буферными свойствами обладают смеси, состоящие:

1) из слабой кислоты и ее соли (ацетатный, формиатный, бензоатный буферные растворы);

2) из слабого основания и его соли (аммонийный буферный раствор);

3) из кислых солей с различной замещенностью водорода металлом (фосфатный буфер). В фосфатном буферном растворе NaH2PO4 играет роль слабой кислоты, Na2HPO4 - сопряженного основания (соль слабой кислоты);

4) из слабой многоосновной кислоты и кислой соли этой кислоты (сопряженное основание), например: H3PO4 +KH2PO4;

5) из кислой соли (кислоты) и средней соли (сопряженного основания), например: NaHCO3 + Na2CO3, и т. д.

Варьируя концентрацию кислоты и сопряженного с ней основания, удается получить буферные растворы с заданным значением рН.

При проведении аналитических операций иногда возникает необходимость поддерживать в исследуемом растворе определенное значение рН среды. С этой целью используют различные буферные системы, способные поддерживать постоянное значение рН.

Сущность буферного действия заключается в том, что одно из соединений, входящих в состав буферной системы, сможет связывать ионы водорода, а другое - гидроксид-ионы в малодиссоциируемые соединения. Если к ацетатному буферному раствору (CH3COOH+CH3COONa) прибавить небольшое количество NaOH, то последний нейтрализуется избытком CH3COOH, образуя H2O. Вместо израсходованных Н + - ионов уксусная кислота, диссоциируя, дает новые. В результате рН раствора изменяется незначительно.

Когда к ацетатному буферному раствору добавляется небольшое количество сильной кислоты, анионы CH3COO-, соединяясь с ионами Н+ сильной кислоты, образуют молекулы слабо диссоциирующей CH3COOH. Таким образом, сильная кислота заменяется слабой уксусной, и концентрация Н+ изменяется мало.

Кислотно-основная пара буферного раствора представляет собой слабую кислоту и ее соль, образованную сильным основанием (например, уксусная кислота СН₃СООН и ацетат натрия CH₃COONa) или слабое основание и его соль, образованную сильной кислотой (например, гидроокись аммония NH₄OH и хлористый аммоний NH₄CI). При разведении раствора или добавлении к нему некоторого количества кислоты или щелочи кислотно-основная пара способна соответственно быть донором либо акцептором водородных ионов, поддерживая т.о. величину водородного показателя на относительно постоянном уровне.

Буферные растворы сохраняют устойчивость буферных свойств в определенном интервале значений рН, то есть обладают определенной буферной емкостью. За единицу буферной емкости условно принимают емкость такого буферного раствора, для изменения рН которого на единицу требуется добавить 1 моль сильной кислоты или сильной щелочи на 1 л раствора. Буферная емкость находится в прямой зависимости от концентрации буферного раствора: чем концентрированнее раствор, тем больше его буферная емкость; разведение буферного раствора сильно уменьшает буферную емкость и лишь незначительно изменяет рН.

Тканевая жидкость, кровь, моча и другие биологические жидкости являются буферными растворами. Благодаря действию их буферных систем поддерживается относительное постоянство водородного показателя внутренней среды, обеспечивающее полноценность метаболических процессов. Наиболее важной буферной системой является бикарбонатная система крови. Концентрация в крови бикарбонатов служит одним из основных показателей кислотно-щелочного состояния организма. Этот показатель позволяет установить характер нарушения кислотно-щелочного равновесия при ряде патологических процессов.

В лабораторной практике буферные растворы используют в тех случаях, когда то или иное исследование может быть проведено лишь при постоянном значении рН (например, определение активности ферментов, изучение кинетики ферментативных реакций, электрофоретическое разделение белковых смесей и др.) и в качестве стандартов при определении рН различных растворов, в т.ч. биологических жидкостей.

Буферные растворы готовят обычно путем растворения в воде взятых в соответствующих пропорциях слабой кислоты и ее соли, образованной щелочным металлом, частичной нейтрализации слабой кислоты сильной щелочью или слабого основания сильной кислотой, растворения смеси солей многоосновной кислоты.

Горизонтальные участки на кривой тетрирования кислоты свидетельствуют о незначительном изменении рН раствора в начальный и конечный моменты титрования. Такое изменение рН раствора в начале титрования объясняется тем, что в растворе кислота находится в большом избытке по отношению к количеству прибавленной щелочи, а подобное изменение рН раствора в конце титрования объясняется аналогично.

Как уже было сказано, буферное действие раствора измеряется буферной емкостью, т.е. тем количеством щелочи или кислоты, которое требуется прибавить к 1 л раствора, чтобы значение его рН изменилось на единицу.

При титровании сильной кислоты сильным основанием буферное действие раствора проявляется только при очень низких и очень высоких значениях рН. Наименьшую буферную емкость имеет раствор в точке эквивалентности. К такому раствору достаточно добавить одну каплю раствора кислоты или щелочи, чтобы рН раствора скачкообразно изменился. Однако в химической практике часто возникает необходимость иметь растворы с устойчивым значением рН, близким к нейтральному.

Важным свойством буферных растворов является их способность сохранять постоянное значение рН при разбавлении раствора. Растворы кислот и оснований не могут называться буферными растворами, т.к. при разбавлении их водой рН раствора изменяется.

Наиболее эффективные буферные растворы готовят из растворов слабой кислоты и ее соли или слабого основания и его соли. Ацетатный буферный раствор представляет собой раствор уксусной кислоты СН₃СООН и ацетата натрия NаСН₃СОО. Аммиачный буферный раствор представляет собой раствор гидроксида аммония NH₄OH и хлорида аммония NH₄Cl.

Буферное действие подобных растворов основано на следующих процессах. Если к ацетатному буферному раствору [СН₃СООН + NаСН₃СОО] прибавить в пределах буферной емкости раствор щелочи (NaOH или КОН), то будет происходить нейтрализация гидроксида слабой кислотой:

СН₃СООН + ОН- = СН₃СОО- + Н₂О.

При добавлении к ацетатному буферному раствору сильной кислоты ионы водорода связываются анионами слабой кислоты, образующейся при диссоциации соли:

Н⁺ + СН₃СОО- = СН₃СООН.

Таким образом, в результате связывания гидроксид-ионов или ионов водорода, возникающих при добавлении сильного основания или сильной кислоты, рН буферного раствора практически не изменяется. Так, при добавлении в 1 л 0,1М ацетатного буферного раствора, а для сравнения и в воду 0,01 моль соляной кислоты или гидроксида натрия рН растворов принимает значения, приведенные ниже.

буферный раствор ацетатный аммиачный

Из этих данных видно, что при добавлении кислоты или щелочи к воде рН полученного раствора изменяется на пять единиц, а добавление такого же количества кислоты или щелочи в ацетатный буферный раствор изменяет рН в пределах 0,1 единицы. Аналогично действие аммиачного (аммиачно-аммонийного) буферного раствора [NH₄OH + NH₄Cl] при введении кислоты или щелочи, обусловленное протеканием следующих процессов:

NH₄OH + Н⁺ = + Н₂О,

+ ОН^- = NH₄OH.

Как рассчитать рН буферного раствора, вы знаете: вспомните о смещении равновесия диссоциации уксусной кислоты одноименным ионом - добавлением в раствор ацетата натрия.

Буферные растворы могут быть приготовлены также из кислоты и ее кислотной соли, из двух кислотных солей, а также из соли, подвергающейся гидролизу, и другой кислотной соли. К таким буферным растворам относятся растворы фосфорной кислоты и ее солей:

Буферные растворы - фосфатный [ + ] и карбонатный [  + ] - имеют большое значение для обеспечения жизнедеятельности организмов, т.к. они поддерживают постоянство рН физиологических жидкостей. Кроме этих буферных растворов рН крови и других жидкостей организма сохраняется постоянным благодаря белкам и гемоглобину. У человека рН крови равен 7,35-7,45. На 75% буферная емкость крови обусловлена гемоглобином. Она настолько велика, что требуется в 50 раз больше сильной кислоты или щелочи, чтобы изменить рН на ту же величину по сравнению с водой.

Рассмотрим ацетатную буферную смесь, состояющую из раствора уксусной кислоты и ее натриевой соли (ацетата натрия). Уксусная кислота  является слабой кислотой и диссоциирует слабо. Ацетат натрия хорошо растворяется в воде, а при его диссоциации образуется ион натрия и кислотный остаток уксусной кислоты (ацетат-ион):

CH3COOH = CH3COO- + H+CH3COONa = CH3COO- + Na+

При диссоциации ацетата натрия образуется тот же ацетат-анион, что и при диссоциации уксусной кислоты. Поэтому при диссоциации уксусной кислоты равновесие сдвигается в сторону недиссоциацированных молекул. При достаточной концентрации ацетата натрия концентрация ацетат-аниона будет достаточной для того, чтобы практически все молекулы уксусной кислоты были недиссоцированными.

Добавим к ацетатной буферной системе небольшое количество едкого натра, который прореагирует с уксусной кислотой  с образованием ацетата натрия. Щелочь заменяется слабоосновной солью. Расходовалась недиссоциированная уксусная кислота. Поэтому pH  буферной системы практически не изменится.

Добавим к буферной системе соляную кислоту. Поисходит реакция обмена с образованием хлористого натрия и уксусной кислоты. Не будем «вдаваться в дебри» и поминать закон Освальда. Достаточно вспомнить, что вследствие большого количества ацетат-аниона уксусная кислота в смеси практически не диссоциирует. Таким образом pH опять практически не изменится.

Буферная емкость системы зависит от соотношения компонентов системы и концентрации их. С разведением буферных растворов падает буферная емкость, но почти не меняется кислотность раствора.

Заключение

Итак, буферные системы играют большую роль не только в химии. В животных и растительных организмах также действуют сложные буферные смеси, поддерживающие постоянным рН крови, лимфы и других жидкостей. Буферными свойствами обладает и почва, которой свойственно противодействовать внешним факторам, изменяющим рН почвенного раствора.

Литература

М.И. Равич-Щербо., В.В. Новиков. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1975.

С.А. Балезин, Б.В. Ерофеев, Н.И. Подобаев. Основы физической и коллоидной химии. М.:Просвещение, 1975 .

Р.А. Хмельницкий Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1988.

Л.Ф.Павлова, В.В. Селюкова. Физическая и коллоидная химия. М. :РУДН, 1989 .

В.И. Горшков, И.А. Кузнецов. Основы физической химии. М. МГУ, 1993.

Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др. под ред.Ю.А. Ершова. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. М.: Высшая школа. 1993 .

В.И. Ведерников, В.С.Кондрашова, Е.Н.Колосов, Т.Ф Шешко, С.Ф.Гижевский. Методические рекомендации и лабораторные работы по курсу “Физическая и коллоидная химия “, разделы: Химическая термодинамика, растворы, электрохимия. М., Изд-во РУДН-2006- 88 С.

В.И. Ведерников, Л.Ф. Павлова, В.В. Селюкова, Е.В. Храпова, В.В. Цветков. Методические рекомендации к лабораторным работам по курсу “Физическая и коллоидная химия., раздел “Поверхностные явления и адсорбция” 1988 г., М., РУДН, -40 с.

Размещено на Allbest.ru