Буферные растворы
Как работает буфер
Добавьте каплю соляной кислоты в стакан чистой воды — pH рухнет с 7 до 3. Добавьте ту же каплю в кровь — ничего заметного. Кровь — буферный раствор.
Буфер содержит слабую кислоту и её сопряжённое основание: \(\ce{CH3COOH}\) и \(\ce{CH3COO-}\), \(\ce{NH4+}\) и \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2PO4-}\) и \(\ce{HPO4^2-}\). Каждая из частиц «гасит» своего врага:
Из выражения \(K_a\) следует уравнение Гендерсона — Хассельбаха:
history_eduФизиолог и врач
Американский биохимик Лоуренс Гендерсон в 1908 году изучал, как кровь удерживает кислотность, и вывел соотношение для угольной кислоты. Датский врач Карл Хассельбах в 1916 году записал его в логарифмической форме — через только что введённый pH.
| Буфер | \(pK_a\) | Рабочий диапазон pH |
|---|---|---|
| \(\ce{CH3COOH}\) / \(\ce{CH3COO-}\) | 4,76 | 3,8–5,8 |
| \(\ce{H2PO4-}\) / \(\ce{HPO4^2-}\) | 7,20 | 6,2–8,2 |
| \(\ce{NH4+}\) / \(\ce{NH3}\) | 9,25 | 8,3–10,3 |
| \(\ce{HCO3-}\) / \(\ce{CO3^2-}\) | 10,33 | 9,3–11,3 |
edit_noteКровь
Главный буфер крови — \(\ce{CO2}\) / \(\ce{HCO3-}\) с эффективным \(pK_a = 6{,}1\). При \([\ce{HCO3-}] = 24\) мМ и \([\ce{CO2}] = 1{,}2\) мМ: \(\text{pH} = 6{,}1 + \lg20 = 7{,}4\). Отношение 20 : 1 кажется «неправильным» для буфера, но система открытая: лёгкие постоянно регулируют \(\ce{CO2}\), а почки — \(\ce{HCO3-}\).
scienceБуферные реакции
- \(\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\) и \(\ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}\) — аммиачный буфер.
- \(\ce{HCO3- + H+ -> CO2 ^ + H2O}\) — избыток кислоты в крови превращается в выдыхаемый газ.
- \(\ce{HPO4^2- + H+ -> H2PO4-}\) — фосфатный буфер клеток и мочи.
Добавка кислоты или щёлочи
Задачи на буфер решаются в два шага: стехиометрия, потом равновесие.
edit_noteКапля кислоты в буфер
1,00 л буфера: 0,10 моль \(\ce{CH3COOH}\) и 0,10 моль \(\ce{CH3COONa}\), pH = 4,76. Добавим 0,010 моль \(\ce{HCl}\): \(\ce{CH3COO- + H+ -> CH3COOH}\) — ацетата 0,09, кислоты 0,11 моль. \(\text{pH} = 4{,}76 + \lg(0{,}09/0{,}11) = 4{,}67\) — изменение всего на 0,09. Та же кислота в 1 л воды: pH с 7,00 до 2,00 — на 5 единиц!
boltРаботайте в молях
В уравнении Гендерсона — Хассельбаха стоит отношение концентраций, объём сокращается. Считайте количества вещества — и не нужно пересчитывать концентрации после смешения.
errorКогда буфер «ломается»
Если добавлено кислоты больше, чем было основания \(\ce{A-}\), буфера больше нет: избыток сильной кислоты определяет pH. Проверьте, что после стехиометрического шага оба компонента остались.
scienceБуферы в лаборатории и природе
- \(\ce{CH3COOH + NaOH -> CH3COONa + H2O}\) — ацетатный буфер готовят и частичной нейтрализацией кислоты.
- \(\ce{NH4Cl + NaOH -> NaCl + NH3 + H2O}\) — аммиачный буфер из соли аммония и недостатка щёлочи; его используют при осаждении гидроксидов и в комплексонометрии.
- \(\ce{CaCO3 + H+ -> Ca^2+ + HCO3-}\) — известняковые почвы и озёра гасят кислотные дожди.
Ёмкость и пределы буфера
Буферная ёмкость — количество сильной кислоты или щёлочи, которое нужно добавить к 1 л буфера, чтобы изменить pH на единицу. Она:
- пропорциональна общей концентрации компонентов: 0,5 М буфер в 10 раз «крепче» 0,05 М;
- максимальна при \([\ce{HA}] = [\ce{A-}]\), то есть при \(\text{pH} = pK_a\);
- практически исчезает за пределами \(pK_a \pm 1\).
Разбавление почти не меняет pH буфера (отношение компонентов то же), но пропорционально уменьшает ёмкость.
auto_awesomeДыхание и pH
При частом глубоком дыхании (гипервентиляции) из крови уходит слишком много \(\ce{CO2}\), pH поднимается выше 7,45 — кружится голова, покалывает пальцы. Старый совет «подышать в бумажный пакет» возвращает в кровь углекислый газ.
auto_awesomeОкеан — огромный буфер
Карбонатная система океана поглощает около четверти выбрасываемого людьми \(\ce{CO2}\). Цена — закисление: с доиндустриальной эпохи pH поверхностных вод снизился примерно с 8,2 до 8,1, а концентрация \(\ce{H+}\) выросла почти на 30 %. Раковинам моллюсков и кораллам становится труднее строить скелет из \(\ce{CaCO3}\).
scienceКарбонатная система
- \(\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3-}\) — растворение и ионизация.
- \(\ce{CO3^2- + CO2 + H2O -> 2HCO3-}\) — поглощённый \(\ce{CO2}\) «съедает» карбонат.
- \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2}\) — растворение раковин и известняка.
push_pinГлавное
Буфер — слабая кислота и её сопряжённое основание в сравнимых количествах: \(\text{pH} = pK_a + \lg\dfrac{[\ce{A-}]}{[\ce{HA}]}\). Добавленная сильная кислота превращает \(\ce{A-}\) в \(\ce{HA}\), щёлочь — \(\ce{HA}\) в \(\ce{A-}\); отношение меняется мало, и pH почти стоит на месте. Рабочий диапазон \(pK_a \pm 1\); ёмкость максимальна при \([\ce{HA}] = [\ce{A-}]\) и растёт с общей концентрацией. Кровь (pH 7,40) держат гидрокарбонатный и фосфатный буферы вместе с дыханием и почками.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.