Roztwory buforowe
powrót
Roztwory buforowe wykorzystujemy wszędzie tam, gdzie koniecznym jest utrzymanie praktycznie niezmiennego pH a w przebiegu buforowanego procesu do układu dostają się pewne ilości silnego kwasu bądź zasady. Kwas lub zasada może powstawać w trakcie reakcji przebiegających w danym procesie lub dostawać się do układu z zewnątrz, często jako konieczny komponent procesu. Jeżeli do 1 litra idealnie czystej wody o pH 7 dodamy kroplę stężonego kwasu solnego pH naszego roztworu osiągnie wartość około 4. Nastąpi blisko 1000-krotny wzrost stężenia (ilości) jonów wodorowych (hydroniowych). Dodanie drugiej kropli kwasu spowoduje już o wiele mniejszy, ale ciągle wyraźny wzrost kwasowości, pH zmieni się o następne około 0,3 jednostki. Jeżeli takie same ilości stężonego kwasu będziemy dodawać nie do wody o pH= 7, a do roztworu buforowego o pH=7 nie zauważymy żadnej zmiany w pH roztworu. Nie oznacza to, że zmiana nie nastąpiła, ale jest tak niewielka, że nie ma praktycznie żadnego znaczenia dla przebiegającego w danym roztworze buforowym procesu (mniej niż 0,01 jednostki pH). Podobnie zachowuje się roztwór buforowy także podczas próby obniżenia stężenia jonów wodorowych poprzez rozcieńczanie. Ponieważ jednak suma nawet najmniejszych zmian w końcu musi zacząć być zauważalna i znacząca, roztwory buforowe charakteryzujemy najczęściej dwoma parametrami - wartością pH (tą niemal niezmienną) i pojemnością buforową. Ta ostatnia zależy od składu i stężenia roztworu buforowego i pośrednio określa, jak wiele kwasu czy zasady może przyjąć bufor bez praktycznej zmiany swojego pH. Z definicji jest to ilość moli silnego kwasu (zasady), która zmieni pH 1 litra roztworu buforowego o jednostkę.
Najprostszym roztworem o pewnych właściwościach buforujących może być każdy roztwór słabego kwasu lub słabej zasady. Zacznijmy poznawanie mechanizmu działania roztworu buforowego na przykładzie roztworu słabego kwasu. Słaby kwas, jak każdy słaby elektrolit, jest w wodnym roztworze zdysocjowany jedynie w pewnym stopniu (stopień dysocjacji), a stosunek ilości zdysocjowanej do niezdysocjowanej określa charakterystyczna dla danego związku wartość stałej dysocjacji.
Dla reakcji:
stała dysocjacji wynosi:
gdzie An- oznacza anion reszty kwasowej.
Jeżeli teraz do roztworu o tak określonej równowadze dodamy jonów wodorowych (np. kropla kwasu solnego) to w pierwszej chwili wzrost stężenia [H+] spowoduje wzrost wartości licznika we wzorze na stałą dysocjacji. Ten nadmiar kwasu powoduje cofnięcie się dysocjacji słabego kwasu (spadek stopnia dysocjacji), co w konsekwencji powoduje spadek stężenia jonów wodorowych i reszty kwasowej (maleje licznik) z jednoczesnym wzrostem stężenia niezdysocjowanego kwasu (rośnie mianownik) aż do momentu ponownego uzyskania stanu równowagi, czyli osiągnięcia wartości stałej dysocjacji K.
Jeżeli dodana ilość jonów wodorowych wyniosła 50% tej ilości jaka była w roztworze w stanie równowagi to w momencie uzyskania nowej równowagi przez roztwór (działanie buforujące) ten nadmiar zmalał do 30%. Widać wyraźnie, że siła buforowania takiego roztworu jest nikła i nie ma znaczenia praktycznego.
Jeżeli jednak do roztworu słabego kwasu dodamy odpowiednia ilość soli tego kwasu z silną zasadą (np. roztwór kwasu octowego i octanu sodu) to w ustalaniu się równowagi będą brały udział dwa czynniki - dysocjacja słabego kwasu i hydroliza soli słabego kwasu i silnej zasady. Ta ostatnia charakteryzuje się stałą hydrolizy
bowiem reakcję hydrolizy możemy zapisać jako:
We wzorze nie występuje stężenia wody, bowiem jego zmiany w tej reakcji są pomijalnie małe i jako wartość stała zostaje włączone w wartość Kh.
Jak łatwo zauważyć, w obu wzorach opisujących warunki równowag, które musza być spełnione równocześnie, występują czynniki wspólne - stężenie kwasu i anionu - oraz stężenia jonów wodorowego i hydroksylowego, które z kolei powiązane są ściśle ze sobą iloczynem jonowym wody. Te wszystkie powiązania w sumie powodują, że zakłócenie równowagi reakcji roztworu buforowego powoduje odpowiednie zmiany w stopniu dysocjacji kwasu i stopniu hydrolizy soli, prowadząc w konsekwencji do nowej równowagi o prawie niezmienionej wartości stężenia jonów wodorowych, a zatem i niezmienionym pH roztworu.
W dużym przybliżeniu można powiedzieć, że kwas w roztworze buforowym służy jako zapas jonów wodorowych do zobojętniania dodawanej do buforu zasady (powstaje wtedy większa ilość soli słabego kwasu i silnej zasady - a więc drugi składnik buforu), zaś sól słabego kwasu i silnej zasady służy za magazyn "zapasowej" ilości anionów reszty kwasowej, pozwalającej na wycofanie nadmiaru jonów wodorowych dodanych w postaci silnego kwasu.
Roztwory buforowe mogą mieć różne składy, lecz zasada ich składu i działania buforowego jest zawsze bardzo podobna do opisanej.
Należy także pamiętać, że wartość pH danego buforu zależy nie tylko od składu roztworu ale także od jego temperatury. Bufor np. o pH=6,88 w 25°C może w temperaturze 10°C lub w 40°C charakteryzować się wartością pH większą lub mniejszą od nominalnej nawet o 0,1 jednostki pH.
| |
 |
|