Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

12.8: Буфери

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    22470

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

    Цілі навчання
    • Визначте буфер.
    • Правильно визначте дві складові буфера.

    Як зазначено в розділі 12.5, слабкі кислоти відносно поширені, навіть у продуктах, які ми їмо. Але ми зрідка стикаємося з сильною кислотою або основою, такою як шлункова кислота, яка має сильнокислий рН 1,7. За визначенням, сильні кислоти та основи можуть виробляти відносно велику кількість іонів H + або OH − і, отже, мають помітну хімічну активність. Крім того, дуже малі кількості сильних кислот і підстав можуть дуже швидко змінювати рН розчину. Якби 1 мл шлункової кислоти [приблизно як 0,1 М HCl (aq)] були додані до кровотоку і не було жодного коригуючого механізму, рН крові зменшився б приблизно з 7,4 до приблизно 4,7 - рН, який не сприяє продовженню життя. На щастя, в організмі є механізм мінімізації таких різких змін рН.

    Цей механізм включає буфер, розчин, який протистоїть різким змінам рН. Буфери роблять це, складаючи певні пари розчинених речовин: або слабка кислота плюс сіль, отримана з цієї слабкої кислоти, або слабкої основи плюс сіль цієї слабкої основи. Наприклад, буфер може складатися з розчинених HC 2 H 3 O 2 (слабка кислота) і NaC 2 H 3 O 2 (сіль, отримана з цієї слабкої кислоти). Іншим прикладом буфера є розчин, що містить NH 3 (слабка основа) і NH 4 Cl (сіль, отримана з цієї слабкої основи).

    Давайте використаємо буфер HC 2 H 3 O 2/NaC 2 H 3 O 2, щоб продемонструвати, як працюють буфери. Якщо до буферного розчину додається сильна основа - джерело іонів OH − (aq), ці іони OH - реагуватимуть з HC 2 H 3 O 2 в кислотно-лужній реакції:

    \[\ce{HC2H3O2(aq) + OH^{-}(aq) \rightarrow H2O(ℓ) + C2H3O^{-}2(aq)} \label{Eq1} \]

    Замість того, щоб різко змінювати рН, роблячи розчин основним, додані іони OH − реагують, щоб зробити H 2 O, тому рН не сильно змінюється.

    Якщо до буферного розчину додати сильну кислоту - джерело іонів H +, іони Н + вступлять в реакцію з аніоном з солі. Оскільки HC 2 H 3 O 2 є слабкою кислотою, вона не сильно іонізується. Це означає, що якщо багато іонів H + та іонів C 2 H 3 O 2 − присутні в одному розчині, вони об'єднаються, щоб зробити HC 2 H. 3 З 2:

    \[\ce{H^{+}(aq) + C2H3O^{−}2(aq) \rightarrow HC2H3O2(aq)} \label{Eq2} \]

    Замість того, щоб різко змінювати рН і робити розчин кислим, додані іони Н + реагують, утворюючи молекули слабкої кислоти. Малюнок\(\PageIndex{1}\) ілюструє обидві дії буфера.

    \(\PageIndex{1}\)Малюнок Дії буферів. Буфери можуть реагувати як з сильними кислотами (зверху), так і з сильними основами (збоку), щоб мінімізувати великі зміни рН.

    Буфери, виготовлені зі слабких підстав і солей слабких підстав, діють аналогічно. Наприклад, в буфері, що містить NH 3 і NH 4 Cl, молекули NH 3 можуть реагувати з будь-якими надлишковими іонами Н +, що вводяться сильними кислотами:

    \[\ce{NH3(aq) + H^{+}(aq) \rightarrow NH^{+}4(aq)} \label{Eq3} \]

    при цьому іон амонію (\(\ce{NH4^{+}(aq)}\)) може реагувати з будь-якими гідроксидними іонами, що вводяться сильними основами:

    \[\ce{NH^{+}4(aq) + OH^{-}(aq) \rightarrow NH3(aq) + H2O(ℓ)} \label{Eq4} \]

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    З яких комбінацій з'єднань можна зробити буферний розчин?

    1. HCHO 2 і НаЧО 2
    2. HCl і NaCl
    3. СН 3 Н 2 і СН 3 Н 3 Сл
    4. NH 3 і NaOH
    Рішення
    1. HCHO 2 - це мурашина кислота, слабка кислота, тоді як NaChO 2 - це сіль, виготовлена з аніону слабкої кислоти (іон форміату [CHO 2 −]). Поєднання цих двох розчинених речовин створило б буферний розчин.
    2. HCl - це сильна кислота, а не слабка кислота, тому комбінація цих двох розчинених речовин не зробить буферний розчин.
    3. CH 3 NH 2 - це метиламін, який схожий на NH 3 з одним із його атомів H, заміщеним групою CH 3. Оскільки вона не вказана в таблиці\(\PageIndex{1}\), можна вважати, що вона є слабкою базою. З'єднання CH 3 NH 3 Cl - це сіль, виготовлена з цієї слабкої основи, тому комбінація цих двох розчинених речовин зробить буферний розчин.
    4. NH 3 є слабкою базою, але NaOH є міцною базою. Поєднання цих двох розчинених речовин не створило б буферного розчину.
    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    З яких комбінацій з'єднань можна зробити буферний розчин?

    1. NaHCO 3 і NaCl
    2. Н 3 РО 4 і нАг 2 РО 4
    3. NH 3 і (NH 4) 3 РО 4
    4. NaOH і NaCl
    Відповідь на
    Так.
    Відповідь б
    Ні. Потрібна слабка кислота або основа і сіль її кон'югатної основи або кислоти.
    Відповідь c
    Так.
    Відповідь d
    Ні. Потрібна слабка основа або кислота.

    Буфери добре працюють тільки для обмеженої кількості доданої сильної кислоти або основи. Після того, як будь-який розчинений розчин повністю реагує, розчин більше не є буфером, і можуть відбутися швидкі зміни рН. Ми говоримо, що буфер має певну ємність. Буфери, які мають більше початкового розчиненого речовини, розчиненого в них, мають більшу ємність, як можна було очікувати.

    Кров людини має буферну систему, щоб мінімізувати екстремальні зміни рН. Один буфер в крові заснований на наявності HCO 3 − і H 2 CO 3 [друга сполука - ще один спосіб запису CO 2 (aq)]. З цим буфером, навіть якщо якась шлункова кислота знайде свій шлях безпосередньо в кров, зміна рН крові була б мінімальною. Усередині багатьох клітин організму є буферна система на основі фосфатних іонів.

    Застосування їжі та напоїв: кислота, яка полегшує біль

    Хоча ліки не зовсім «їжа та напої», ми їх вживаємо, тому давайте подивимося на кислоту, яка, мабуть, є найпоширенішим ліком: ацетилсаліцилова кислота, також відома як аспірин. Аспірин добре відомий як знеболюючий і жарознижуючий засіб (зниження температури).

    Будова аспірину показано на супровідному малюнку. Кислотна частина обводиться; це атом Н в цій частині, який може бути пожертвуваний як аспірин діє як кислота Бронстед-Лоурі. Оскільки він не наведено в табл\(\PageIndex{1}\), ацетилсаліцилова кислота є слабкою кислотою. Однак це все ще кислота, і враховуючи, що деякі люди щодня споживають відносно велику кількість аспірину, його кисла природа може спричинити проблеми в слизовій оболонці шлунка, незважаючи на захисні сили шлунка проти власної шлункової кислоти.

    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Молекулярна структура аспірину. Обведені атоми - це кислотна частина молекули.
    Показана молекула аспартама. CO2H обводиться, щоб вказати, що це кисла частина молекули.

    Оскільки кислотні властивості аспірину можуть бути проблематичними, багато брендів аспірину пропонують «буферний аспірин» форму ліки. У цих випадках аспірин також містить буферний агент - зазвичай MGO - який регулює кислотність аспірину, щоб мінімізувати його кислі побічні ефекти.

    Настільки корисним і поширеним, як аспірин, він офіційно продавався як наркотик, починаючи з 1899 року. Управління з контролю за продуктами та ліками США (FDA), урядове агентство, звинувачене в нагляді та затвердженні наркотиків у Сполучених Штатах, не було сформовано до 1906 року. Деякі стверджували, що якщо FDA була сформована до введення аспірину, аспірин, можливо, ніколи не отримав схвалення через його потенціал для побічних ефектів - шлунково-кишкова кровотеча, дзвін у вухах, синдром Рейє (проблема з печінкою) та деякі алергічні реакції. Однак, останнім часом аспірин був рекламований за його наслідки в зменшенні інфарктів та інсультів, так що цілком ймовірно, що аспірин залишиться на ринку.

    Резюме

    Буфер - це розчин, який протистоїть різким змінам рН.