для буферных систем 1-го типа (слабая кислота и её анион):
pH = pKa + lg([акцептор протона]/[донор протона])
pH = pKa + lg([соль]/[кислота])
для буферных систем 2-го типа (слабое основание и его катион):
pH = pKa + lg([акцептор протона]/[ донор протона]) = pKa + lg([основание]/[соль])
pH = 14 – pKв - lg([соль]/[основание])
Поясним на ацетатном буфере (система 1 типа: слабая кислота и ее анион).
в растворе существует равновесие:
Высокая концентрация ацетат ионов обусловлена полной диссоциацией сильного электролита – ацетата натрия. Если к раствору добавить сильную кислоту (соляную), ацетат ионы будут связывать ионы водорода, образуя слабую (уксусную) кислоту. Если же к раствору добавить сильное основание (гидроксид натрия), молекулы уксусной кислоты будут реагировать с гидроксид ионами с образованием воды и ацетат иона. В обоих случаях низкая концентрация протонов водорода будет оставаться практически постоянной.
Теперь охарактеризуем количественно способность буферной системы поддерживать постоянное значение рН.
Пусть Суксусной кислоты = Сацетата натрия = 0,1 мол/дм3. Киониз. Уксуснй кислоты:
=0,1 моль/дм3 (так как эти ионы получаются в основном за счет соли), тогда:
К данному буферу добавим 0,05 моль/дм3 Н+. За счет имеющегося резерва в растворе ацетат ионов большая часть введенных протонов водорода будет нейтрализована: Н+ + СН3СОО- = СН3СООН
Если не учитывать разбавления раствора, концентрация уксусной кислоты станет равной 0,15 моль/дм3, а концентрация ацетат ионов – 0,05 моль/дм3. Подставляем значения в выражение константы диссоциации:
Таким образом, в результате добавления соляной кислоты изменение рН буферного раствора составило 0,47. При добавлении такого же количества кислоты к воде величина ее рН изменилась от 7 до 1,3.
Аналогичным образом добавление к буферу небольшого количества гидроксида натрия вызовет лишь незначительное изменение рН по сравнению с тем, что имело бы место для чистой воды.
Следует отметить, что если в буфер добавить сильную кислоту в количестве, превышающем имеющийся в растворе количество ацетат ионов, буферное действие раствора прекратится. Буферы способны противодействовать изменению рН до определенных пределов. Количественной оценкой эффективного действия буфера является буферная емкость.
Буферная емкость (В) – количество эквивалента сильной кислоты (щелочи), которое необходимо добавить к 1 дм3 буферного раствора, чтобы величина его рН изменилась на единицу.
(80)
Буферная емкость зависит от соотношения компонентов смеси, от концентрации их в растворе. С увеличением концентрации увеличивается резерв, с помощью которого удерживается постоянство значения рН. Наибольшая величина буферной емкости достигается при равенстве концентраций обоих компонентов буфера.
Буферные растворы играют жизненно важную роль, поддерживая приблизительно постоянное значение рН во многих процессах, которые протекают в биологических и других системах.