Буферные р-ры

Буферные  растворы

Определение буферных систем и  их классификация

     Многие  реакции в растворе протекают  в нужном направлении только при определенной концентрации ионов Н⁺. Изменение её в ту или иную сторону от соответствующего оптимального значения приводит к появлению новых, часто нежелательных продуктов. В связи с этим, поддержание постоянного значения рН на протяжении всего времени осуществления реакции часто является важным условием ее успешного завершения.

     Особенно  актуально это для биохимических  процессов, протекающих в живых организмах. Большинство из них катализируется различными ферментами или гормонами, проявляющими свою биологическую активность только в строго определенном и достаточно узком интервале значений рН.

     Растворы, способные сохранять  постоянной концентрацию ионов Н⁺ при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разбавлении, называются буферными растворами или буферными системами.

     Свойство  данных растворов сохранять неизменным присущее им значение рН при вышеперечисленных обстоятельствах, называется иначе буферным действием.

     Буферные  растворы в зависимости от своего состава делятся на 2 основных типа: кислотные и основные.

     Кислотные буферные системы  обычно образованы слабой неорганической или органической кислотой и солью этой же кислоты с сильным основанием. Например: 

 
 
 

     С точки зрения теории Бренстеда-Лоури кислотной буферной системой является равновесная смесь слабой кислоты и сопряженного ей основания. Причем роль сопряженного основания играют образующиеся при диссоциации солей анионы слабых кислот. В связи с этим состав буферных растворов можно записать иначе: 

 
 
 

     Кислотная буферная система  может быть образована и смесью двух солей многоосновной кислоты, соответствующих различным стадиям нейтрализации этой кислоты. В этом случае кислотный остаток одной из солей (менее замещенный) играет роль слабой кислоты, а кислотный остаток второй соли (более замещенный) – сопряженного ей основания.

     Примером  таких систем могут служить: 

     1) карбонатная буферная система,  представляющая собой смесь кислой (NaHCO₃) и средней (Na₂CO₃) солей угольной кислоты

 

     2) фосфатные буферные растворы 

 
 

     Следует отметить, что не только смеси, но и  растворы некоторых  индивидуальных солей (например: тетрабората натрия (Na₂B₄O₇), карбоната аммония ((NH₄)₂CO₃) и др.) тоже обладают буферными свойствами, которые объясняются сильным гидролизом этих солей и образованием вследствие этого компонентов, необходимых для буферного действия: 

     (NH₄)₂CO₃ + HOH ↔ NH₄HCO₃ + NH₄OH 

     Оснóвные  буферные системы  образованы слабым неорганическим или органическим основанием и солью этого основания с сильной кислотой. Например: 

 
 

     С точки зрения теории Бренстеда-Лоури  оснóвная буферная система также представляет собой равновесную смесь слабой кислоты и сопряженного ей основания, только роль кислоты в данном случае выполняет образующийся при диссоциации соли катион: 

 
 

     Определенным  буферным действием обладают также и растворы многих органических веществ, молекулы которых одновременно содержат в своем составе функциональные группы, проявляющие как слабые кислотные (СООН-группы), так и оснóвные (NH₂-группы) свойства. По своей природе данные соединения являются амфолитами. К ним относятся аминокислоты, белки, пептиды.

     Таким образом, любая кислотно-основная буферная система является равновесной смесью, состоящей из донора и акцептора протонов.

     В такой системе, содержащей в своем  составе слабую кислоту, различают общую, активную и потенциальную кислотности:

     1) общая кислотность соответствует максимально возможной концентрации ионов Н⁺ в данном растворе, если теоретически предположить, что все имеющиеся в нем молекулы кислоты полностью распадутся на ионы, а гидролиз имеющейся соли можно не учитывать. Общая кислотность численно равна молярной концентрации химического эквивалента кислоты в растворе и определяется опытным путем (например с помощью титриметрического метода анализа);

     2) активная кислотность равна концентрации (или активности) содержащихся «свободных» ионов Н⁺ (Н₃О⁺), образовавшихся в результате диссоциации некоторого количества молекул кислоты;

     3) потенциальная кислотность определяется совокупностью присутствующих в системе недиссоциированных молекул кислоты.

     Потенциальная кислотность может быть вычислена  вычитанием из общей кислотности активной.

     Например, для ацетатного буфера все эти  виды кислотности можно условно  представить следующим образом: 

 

     По  аналогии с растворами слабых кислот в растворах слабых оснований (оснóвные буферные системы) можно также различать общую, активную и потенциальную щелочность или оснóвность.