9.2: Буфери

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23150

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Результати навчання

Визначте буфер.
Визначте буферну ємність.
Опишіть, як буфер контролює рН.
Визначте компоненти буферного розчину.

Цукровий діабет - це розлад метаболізму глюкози, при якому порушується вироблення інсуліну підшлунковою залозою. Оскільки інсулін допомагає глюкозі потрапляти в клітини, зниження цього гормону означає, що глюкозу не можна використовувати звичайним чином. Коли це відбувається, організм починає розщеплювати жири, виробляючи зниження рН крові. Хімічні системи в організмі можуть збалансувати цей зсув рН на деякий час, але надмірне вироблення кислоти може створити серйозні проблеми, якщо їх не виправити шляхом введення інсуліну для відновлення нормального використання глюкози.

Буфери

Якщо до\(1.0 \: \text{L}\) чистої води додають тільки\(1.0 \: \text{mL}\)\(0.10 \: \text{M}\) соляну кислоту, рН різко падає з 7,0 до 4,0. Це 1000-кратне збільшення кислотності розчину. Для багатьох цілей бажано мати розчин, який здатний протистояти таким великим змінам рН при додаванні в них відносно невеликих кількостей кислоти або основи. Такий розчин називається буферним. Буфер - це розчин слабкої кислоти або основи і її солі. Обидва компоненти повинні бути присутніми, щоб система діяла як буфер для протистояння змінам рН. Сіль є кон'югатом слабкої кислоти або слабкої основи. Він може бути показаний як іон, так і з лічильником іона. \(\left( \ce{COO^-} \: \text{or} \: \ce{COONa} \right)\)

Деякі поширені буферні системи наведені в таблиці нижче. Відзначимо, що дві складові буферної системи відрізняються лише одним іоном водню\(\left( \ce{H^+} \right)\).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Деякі загальні буфери
Буферна система	Компоненти буфера	рН буфера (рівні молярності обох компонентів)
Оцтова кислота/ацетат-іон	\(\ce{CH_3COOH}/\ce{CH_3COO^-}\)	4.74
Карбонова кислота/іон гідрокарбонату	\(\ce{H_2CO_3}/\ce{HCO_3^-}\)	6.38
Дигідрофосфатний іон/гідрофосфатний іон	\(\ce{H_2PO_4^-}/\ce{HPO_4^{2-}}\)	7.21
Аміак/іон амонію	\(\ce{NH_3}/\ce{NH_4^+}\)	9.25

Одним із прикладів буфера є розчин, виготовлений з оцтової кислоти (слабка кислота) та ацетату натрію (кон'югату кислоти). Показник рН буфера, що складається з\(0.50 \: \text{M} \: \ce{CH_3COOH}\) і\(0.50 \: \text{M} \: \ce{CH_3COONa}\) становить 4,74. Якщо\(10.0 \: \text{mL}\) до буфера\(1.0 \: \text{M} \: \ce{HCl}\) додається до\(1.0 \: \text{L}\) буфера, рН зменшується лише до 4,73. Така здатність «вбирати» додаткові іони водню з\(\ce{HCl}\) того, що були додані, обумовлена реакцією нижче.

\[\ce{CH_3COO^-} \left( aq \right) + \ce{H^+} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{CH_3COOH} \left( aq \right)\]

Оскільки і ацетатний іон, і оцтова кислота вже були присутні в буфері, єдине, що змінюється, - це співвідношення одного до іншого. Невеликі зміни в цьому співвідношенні мають лише дуже незначний вплив на рН.

\(10.0 \: \text{mL}\)Якби of\(1.0 \: \text{M} \: \ce{NaOH}\) були додані до іншого\(1.0 \: \text{L}\) того ж буфера, рН збільшився б лише до 4,76. При цьому буфер забирає додаткові гідроксидні іони.

\[\ce{CH_3COOH} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{CH_3COO^-} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\]

Знову співвідношення ацетат-іона до оцтової кислоти змінюється лише незначно, на цей раз викликаючи дуже невелике підвищення рН. Всі буфери слідують принципу Le Chatelier і реагують на навантаження на систему, реагуючи на мінімізацію стресу.

Можна додати в буфер стільки кислоти або основи, що його здатність протистояти значній зміні рН перевантажена. Буферна ємність - це кількість кислоти або основи, яку можна додати в буферний розчин до того, як відбудеться велика зміна рН. Буферна ємність перевищується, коли кількість молів\(\ce{H^+}\) або\(\ce{OH^-}\) які додаються в буфер перевищує кількість молів буферних компонентів.

Кров людини містить буфер вугільної кислоти\(\left( \ce{H_2CO_3} \right)\) і бікарбонатного аніону з\(\left( \ce{HCO_3^-} \right)\) метою підтримки рН крові між 7,35 і 7,45, оскільки значення вище 7,8 (алкалоз) або нижче 6,8 (ацидоз) може призвести до смерті. У цьому буфері гідроній і бікарбонатний аніон знаходяться в рівновазі з вугільною кислотою. Бікарбонат нейтралізує надлишки кислот в крові, тоді як вугільна кислота нейтралізує надлишки підстав.

Крім того, вугільна кислота може розкладатися на\(\ce{CO_2}\) газ і воду, в результаті чого утворюється друга система рівноваги між вугільною кислотою і водою. Оскільки\(\ce{CO_2}\) є важливим компонентом буфера крові, його регуляція в організмі, як і в\(\ce{O_2}\), надзвичайно важлива. Ефект від цього може бути важливим, коли організм людини піддається напруженим умовам.

\[\ce{CO_2} + \ce{H_2O} \rightleftharpoons \ce{H_2CO_3} \rightleftharpoons \ce{HCO_3^-} + \ce{H^+}\]