Moduł III cz.2.B
2.3 Roztwory buforowe
Roztwory buforowe (albo bufory) to roztwory zachowujące w przybliżeniu stałą wartość pH
podczas dodawania niewielkich ilości nawet mocnych kwasów lub zasad lub podczas
rozcieńczania. Są to roztwory zawierające mieszaninę słabych kwasów/zasad oraz ich sprzężonych
partnerów. Składnikami mieszanin buforowych mogą być: słaby kwas i sól posiadająca sprzężony
z tym kwasem anion lub słaba zasada i sól posiadająca sprzężoną z tą zasadą kation (według
wcześniejszej terminologii– roztwory buforowe były mieszaninami słabego kwasu lub słabej zasady
i soli tych związków, odpowiednio, z mocną zasadą lub mocnym kwasem).
Działanie roztworu buforowego sporządzonego w oparciu o protolit polega na równowagowym
procesie przenoszeniu protonu z kwasu na sprzężoną z nim zasadę. Dobierając odpowiednio
stosunek stężeń sprzężonej pary (kwasu i zasady) możemy ustalić pH takiego roztworu buforowego
na podstawie stałej równowagi protolizy kwasu. Jeżeli stała protolizy kwasu jest wyraźnie mniejsza
od 10
–7
(pK
a
> 7) można spodziewać się, że odczyn roztworu buforowego będzie zasadowy (pH>7).
Równowagę między sprzężonym kwasem a zasadą dla roztworu buforowego stanowiącego
mieszaninę słabego kwasu HA i jego soli zawierającej sprzężoną zasadę A– określa stała dysocjacji
kwasu:
K
a
=
[
A
−
.
][
H
3
O
+
.
]
[
HA]
Dla mieszaniny buforowej składającej się z roztworu słabego kwasu (np. CH
3
COOH) i jego soli
(octan sodu) zawierajacej sprzężoną z nim zasadę (CH
3
COO
-
) można z dobrym przyblizeniem
przyjąć, że stężenie niezdysocjowanego kwasu [HA] = c
HA
a stężenie sprzężonej zasady [A
-
] = c
B,
wówczas otrzymujemy:
K
a
=
c
B
[
H
3
O
+
.
]
c
HA
lub
[
H
3
O
+
.
]=
K
a
c
HA
c
B
i po zlogarytmowaniu otrzymujemy równanie:
pH = pK
a
+ log c
B
- log c
HA
które dobrze opisuje właściwości buforu pod warunkiem, że pH nie jest bliskie 0 lub 14.
Roboczy zakres skutecznego działania roztworu buforowego wynosi około ±1 jednostki pH
wokół pK
a.
Zakres skutecznego działania roztworu buforowego wiąże się z tak zwaną pojemnością
buforową, β, którą, definiujemy jako stosunek zmiany stężenia jonu H
3
O
+
przypadający na
wywołaną tym zmianę pH. W praktyce pojemność buforową określa się jako liczbę moli jonów
H
3
O
+
lub OH
-
jaką należy wprowadzić do 1 dm
3
roztworu buforowego, aby zmienić jego pH o
jednostkę:
β =
c
Δ
pH
mol /dm
3
gdzie: c - stężenie jonów H
3
O
+
lub OH
-
wprowadzonych (w postaci mocnego kwasu lub mocnej
zasady) do roztworu buforowego,
∆
pH - zmiana pH roztworu spowodowana dodaniem mocnego
kwasu lub zasady. Pojemność buforowa zależy od stopnia rozcieńczenia roztworu i stosunku c
HA
/c
B
i dla typowych mieszanin buforowych (pH w granicach 3 ÷ 11) można ją oszacować korzystając z
następującej zależności:
β =
2,3
(
c
HA
+
c
B
)
K
a
[
H
3
O
+
.
]
(
K
a
+[
H
3
O
+
.
])
2
Szczególny przypadek stanowią roztwory buforowe sporzadzone z równomolowych ilości kwasu i
zasady. Wówczas c
HA
= c
B ,
a pH ≈ pK
a
. Pojemność buforowa takiej mieszaniny jest największa i
wynosi około 1,15 c
HA
.
