Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

7.7: Буфери та сполучені кислотно-лужні пари

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    20236

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

    Цілі навчання
    • Визначте кон'югатну кислотну пару основи.
    • Визначте буфери і знайте склад різних буферних систем.
    • Опишіть, як працюють буфери.

    Сполучений кислотно-лужний пара

    Насправді всі кислотно-лужні реакції передбачають перенесення протонів між кислотами і підставами. Для прикладу розглянемо кислотно-лужну реакцію, яка відбувається при розчиненні аміаку у воді. Молекула води (функціонує як кислота) переносить протон до молекули аміаку (функціонуючої як основа), отримуючи кон'югатну основу води\(\ce{OH^-}\), і кон'югатну кислоту аміаку,\(\ce{NH4+}\):

    Малюнок\(\PageIndex{2}\) .Ця цифра має три частини в два ряди. У першому ряду показані дві діаграми кислотно-лужних пар. Ліворуч показана модель заповнення простору H індексу 2 O з червоним атомом O в центрі та двома меншими білими атомами H, прикріпленими у зігнутій формі. Над цією моделлю розміщена мітка «H indexpt 2 O (acid)» фіолетового кольору. Стрілка вказує праворуч, яка позначена «Видалити H верхній індекс плюс». Праворуч знаходиться ще одна модель заповнення простору з одним червоним атомом O, до якого прикріплений один менший білий атом H. Мітка фіолетового кольору над цією моделлю говорить: «O H верхній індекс негативний (сполучена основа)». Над обома цими червоними і білими моделями знаходиться спрямована вгору дужка, яка позначена як «Сполучений кислотно-лужна пара». Праворуч знаходиться модель заповнення простору з центральним синім атомом N, до якого три менших білих атома H прикріплені в трикутному розташуванні піраміди. Етикетка зеленим кольором вище говорить «N H індекс 3 (основа)». Стрілка з написом «Додати H верхній індекс плюс» вказує праворуч. Праворуч від стрілки знаходиться інша модель заповнення простору з синім центральним атомом N і чотирма меншими білими атомами H в чотиригранному розташуванні. Зелена мітка вище читає «N H індекс 3 верхній індекс плюс (кон'югатна кислота)». Над обома цими синіми та білими моделями знаходиться спрямована вгору дужка, яка позначена «Сполученими кислотно-лужною парою». Другий рядок малюнка показує хімічну реакцію, H індекс 2 O (l) показаний фіолетовим кольором, а нижче позначений фіолетовим кольором як «кислота», плюс N H індекс 3 (a q) зеленим кольором, позначений нижче зеленим кольором як «база», а потім двостороння стрілка зі стрілкою та O H верхній індекс негативний (a q) фіолетовим кольором, позначений у фіолетовий як «сполучена основа», плюс N H індекс 4 верхній індекс плюс (a q)» зеленим кольором, який позначений зеленим кольором як «кон'югатна кислота». Кислота з лівого боку рівняння з'єднується з сполученою основою праворуч фіолетовою лінією. Аналогічно підстава зліва з'єднується з кон'югатной кислотою з правого боку.

    У реакції аміаку з водою для отримання іонів амонію та гідроксиду аміак виступає в якості основи, приймаючи протон з молекули води, що в даному випадку означає, що вода діє як кислота. У зворотній реакції іон амонію діє як кислота, передаючи протон гідроксидному іону, а гідроксид-іон виступає в якості основи. Сполученими парами кислота-основа для цієї реакції є\(NH_4^+/NH_3\) і\(H_2O/OH^−\).

    .
    Малюнок\(\PageIndex{2}\). Найсильніші кислоти знаходяться внизу зліва, а найсильніші основи - вгорі праворуч. Кон'югатна основа сильної кислоти - дуже слабка основа, і, навпаки, кон'югатна кислота міцної основи - дуже слабка кислота
    \(\PageIndex{3}\)Малюнок Відносні сили деяких загальних сполучених пар кислота-основа

    Найсильніші кислоти знаходяться внизу зліва, а найсильніші основи - вгорі праворуч. Кон'югатна основа сильної кислоти - дуже слабка основа, і, навпаки, кон'югатна кислота міцної основи - дуже слабка кислота.

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Визначте сполучені кислотно-лужні пари в цій рівновазі.

    \[\ce{CH3CO2H + H2O <=> H3O^{+} + CH3CO2^{-}} \nonumber \]

    Рішення

    Аналогічно в реакції оцтової кислоти з водою оцтова кислота дарує протон воді, який виступає в ролі основи. У зворотній реакції\(H_3O^+\) - це кислота, яка дарує протон ацетатному іону, який діє як основа.

    Знову ж таки, у нас є дві сполучені пари кислота-основа:

    • материнська кислота і її кон'югатна основа (\(CH_3CO_2H/CH_3CO_2^−\)) і
    • батьківська основа і її кон'югатна кислота (\(H_3O^+/H_2O\)).
    \(\PageIndex{1}\) Приклад реакції оцтової кислоти з водою
    Приклад\(\PageIndex{2}\)

    Визначте сполучені кислотно-лужні пари в цій рівновазі.

    \[(CH_{3})_{3}N + H_{2}O\rightleftharpoons (CH_{3})_{3}NH^{+} + OH^{-} \nonumber \]

    Рішення

    Одна пара - H 2 O і OH −, де H 2 O має ще одну H + і є кон'югованою кислотою, тоді як OH - має на одну меншу H + і є сполученою основою.

    Інша пара складається з (СН 3) 3 N і (CH 3) 3 NH +, де (CH 3) 3 NH + - сполучений кислота (вона має додатковий протон) і (СН 3) 3 Н є кон'югатною основою.

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Визначте сполучені кислотно-лужні пари в цій рівновазі.

    \[\ce{NH2^{-} + H2O\rightleftharpoons NH3 + OH^{-}} \nonumber \]

    Відповідь:
    H 2 O (кислота) і OH − (основа); NH 2 − (основа) і NH 3 (кислота)

    Буферні розчини

    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\(\PageIndex{2}\) ілюструє обидві дії буфера.

    \(\PageIndex{4}\)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:

    NH 3 (ак) + Н + (ак) → NH 4 + (ак)

    тоді як іон NH 4 + (aq) може реагувати з будь-якими OH − іонами, що вводяться сильними основами:

    Н 4 + (ак) + ОН − (ак) → Н 3 (ак) + Н 2 О ()

    Деякі поширені буферні системи наведені в таблиці нижче.

    Таблиця\(\PageIndex{1}\) деяких загальних буферів
    Таблиця\(\PageIndex{1}\) деяких загальних буферів
    \ (\ pageIndex {1}\) Деякі загальні буфери» style="vertical-align:middle; "> Буферна система Компоненти буфера рН буфера (рівні молярності обох компонентів)
    \ (\ pageIndex {1}\) Деякі загальні буфери» style="вертикальне вирівнювання: середина; "> Оцтова кислота/ацетатний іон \(\ce{CH_3COOH}\)/\(\ce{CH_3COO^-}\) 4.74
    \ (\ pageIndex {1}\) Деякі загальні буфери» style="vertical-align:middle; ">Вуглекислота/іон гідрокарбонату \(\ce{H_2CO_3}\)/\(\ce{HCO_3^-}\) 6.38
    \ (\ pageIndex {1}\) Деякі загальні буфери» style="вертикальне вирівнювання: середина; "> Дигідрофосфат-іон/гідрофосфатний іон \(\ce{H_2PO_4^-}\)/\(\ce{HPO_4^{2-}}\) 7.21
    \ (\ pageIndex {1}\) Деякі загальні буфери» style="vertical-align:middle; "> Аміак/іон амонію \(\ce{NH_3}\)/\(\ce{NH_4^+}\) 9.25

    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 розчиненої речовини, розчиненої в них для початку, 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.

    Приклад\(\PageIndex{3}\):

    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 зробить 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\(\PageIndex{2}\)

    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.
    Застосування їжі та напоїв: кислота, яка полегшує біль

    Хоча ліки не зовсім є «їжею та напоями», ми їх вживаємо, тому давайте подивимося на кислоту, яка, мабуть, є найпоширенішим ліками: 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.

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Молекулярна структура аспірину. Обведені атоми - це кислотна 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 ж 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, яке звинувачується у 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.
    • Описані реакції, що показують, як буфери регулюють рН.

    Автори та атрибуція