Механизм буферирующего действия

Рассмотрим ацетатный буфер. Концентрация ионов водорода определяется равновесием:

СН₃СООН ↔ СН₃СОО⁻ + Н⁺,

которое за счет относительно большой концентрации СН₃СОО⁻ из соли, значительно сдвинуто влево. Если добавляются ионы водорода (кислота), то равновесие смещается еще больше влево и общая концентрация ионов Н⁺, остается примерно постоянной. С другой стороны, добавление гидроксил ионов (щелочи) приводит к смещению равновесия:

H⁺ + OH⁻ ↔ H₂O

вправо. Это уменьшает концентрацию ионов Н⁺, вызывая большую ионизацию молекул СН₃СООН. Снова восстанавливается концентрация Н⁺ до начального значения.

При добавлении кислоты концентрация соли буфера уменьшается на столько, на сколько концентрация кислоты буфера возрастает. pH уменьшается на:

.

При добавлении щелочи концентрация соли буфера возрастает на столько, на сколько концентрация кислоты буфера уменьшается. pH увеличивается на:

.

Щелочные буферные системы работают аналогично: добавляемая кислота взаимодействует с основанием буфера с образованием соли (c_b↓, c_s↑), добавляемая щелочь взаимодействует с солью буфера с образованием основания (c_b↑, c_s↓).

Буферное действие растворов индивидуальных солей объясняется возникновением в результате гидролиза кислот и оснований, например,

Na₂B₄O₇ + 2H₂O ↔ 2NaOH + H₂B₄O₇.

Буферная емкость

Очевидно, что способность буферного раствора сохранять pH не может быть беспредельна. С увеличением объема и концентрации приливаемой кислоты или щелочи pH системы все же изменяется: сначала незаметно, с каждой приливаемой порцией все больше и больше. Для оценки буферирующих свойств растворов используют величину, называемую буферная емкость B − число молей эквивалентов кислоты или щелочи n_э, которые надо добавить к 1 литру буфера для изменения pH на единицу:

.

Буферная емкость зависит от природы раствора, концентраций (и их соотношения) компонентов. Наибольшая B наблюдается для растворов с максимально возможной концентрацией и при условии равенства концентраций сопряженных кислоты и основания, например, соли и кислоты ацетатного буфера c_s=c_a или соли и основания аммиачного буфера c_s=c_b.