Буферные растворы — Студопедия

Поделись с друзьями: 

При выполнении химического анализа часто возникает необходимость провести реакцию при неизменном определенном значении рН раствора. В этом случае используют буферные растворы, способные сохранять некоторое время постоянным значение рН при добавлении в раствор сильных кислот (например, HCl), щелочей (например, NaOH) и при разбавлении раствора. Обычно буферный раствор представляет собой смесь слабой кислоты и ее соли (кислотная буферная система с рH < 7), слабого основания и его соли (основная буферная система, c pH > 7), или смеси кислых и средних солей.

Механизм буферного действия рассмотрим на примере ацетатного буфера.

Он основан на смещении положения равновесия реакции диссоциации слабой кислоты:

(1)

(2)

В присутствии сильного электролита Ch4COONa, полностью диссоциированного в растворе:

, (3)

равновесие (1) сильно сдвинуто влево, поэтому концентрация недиссоциированных молекул СН3СООН практически равна концентрации кислоты, а концентрация ионов СН

3СОО^– равна концентрации соли:

Для разбавленного раствора константу диссоциации K_д в смеси с CH₃COONa можно выразить через равновесные концентрации кислоты и соли:

, (4)

и после логарифмирования уравнения (4) получаем зависимость рН от концентрации соли и кислоты.

(5)

где = ,

= –lg K _д.

Для уксусной кислоты значение тогда

Буферный эффект ацетатного буферного раствора связан с тем, что при добавлении к этому раствору сильной кислоты (например, HCl) избыток ионов водорода, возникающий в растворе как результат диссоциации сильной кислоты,

связывается анионом слабой (малодиссоциирующей) уксусной кислоты , так что

При добавлении щелочи (например, NaOH) гидроксид-ионы ОН^– нейтрализуются уксусной кислотой с образованием слабого электролита – воды в результате реакции нейтрализации:

В обоих случаях концентрация ионов водорода и гидроксид-ионов в растворе практически не изменяется, то есть сохраняется исходное значение рН.

Аммиачный буферный раствор представляет смесь гидроксида аммония и хлорида аммония. Для аммиачного буфера зависимость pH определяется уравнением (6):

(6)

Для гидроксида аммония тогда .

При добавлении к такому раствору кислоты или щелочи происходит нейтрализация ионов водорода или связывание гидроксид-ионов в слабый электролит – гидроксид аммония (по современным представлениям – в гидрат аммония ):

При этом сохраняется значение рН исходного раствора.

При разведении водой буферные системы сохраняют постоянство рН благодаря сохранению равновесия между кислотой и сопряженным основанием, которое определяется постоянством константы диссоциации слабой кислоты или слабого основания.

Из уравнений следует, что рН буфера не изменится при разбавлении. Однако значительное уменьшение концентрации буферного раствора приведет к увеличению степени диссоциации слабого электролита согласно (2), поэтому рН буфера при сильном разбавлении изменится.

Буферные системы характеризуются двумя параметрами:

1. Значение создаваемого этими растворами рН;

Значение рН в буферных системах определяется величиной константы диссоциации слабой кислоты или слабого основания: в кислотных буферных системах (слабая кислота + ее соль) –соотношением концентрации слабой кислоты С _кисл и ее соли С _соли; в основных буферных системах (слабое основание + его соль) – соотношением концентрации слабого основания С _осн и его соли С _соли.

2. Буферная емкость.

Буферное действие отличающихся по составу буферных смесей неодинаково. Важной величиной, которая характеризует способность буферной системы противодействовать изменению реакции среды (т.е. изменению ее рН) при добавлении кислот или щелочей, является буферная емкость системы.

Буферной емкостью раствора называют количество молей кислоты или щелочи, которые при прибавлении к одному литру (1 дм³) буферного раствора изменяют его рН на единицу.

Буферную емкость можно определить экспериментально или рассчитать.

Способность буферных систем поддерживать постоянное значение рН небезгранична, она зависит от качественного состава системы и концентрации компонентов. При добавлении к буферной системе значительных количеств сильной кислоты или сильного основания наблюдается заметное изменение рН.

Величину буферной емкости системы по кислоте или по щелочи рассчитывают по формуле:

(7)

где С и V – концентрация и объем добавленной кислоты или щелочи к буферному раствору с объемом V _буфера, – изменение pH после добавления кислоты или щелочи.

Рис.1. Зависимость буферной емкости ацетатной системы от pH системы.

Буферная емкость зависит от соотношения концентраций компонентов буферной системы, а, следовательно, и от рН буфера. Типичный график зависимости буферной емкости от рН на примере ацетатной системы приведен на рис. 1. Максимальная буферная емкость соответствует значению рН = рК = 4,74. При рН = рК отношение Ссоли/Скисл. = 1, т.е. в системе содержатся одинаковые количества соли и кислоты. При таком соотношении концентраций компонентов системы ее рН изменяется в меньшей степени, чем при других отношениях, следовательно, буферная емкость максимальна при равных концентрациях компонентов буферной системы и уменьшается с отклонением от этого соотношения.

Из рис. 1 следует и другой важный вывод: рабочий участок буферной системы, т.е. способность противодействовать изменению рН при добавлении кислот и щелочей, имеет протяженность приблизительно в одну единицу рН с каждой стороны от точки рН = рК_А. Вне этого интервала буферная емкость быстро снижается. Интервал называется зоной буферного действия.

Буферные системы широко распространены в природе. Например, кровь человека имеет постоянное значение рН» 7,4, создаваемое специальной буферной системой крови. Буферные растворы широко применяются в качественном и количественном анализе для создания и поддержания определенного значения

рН среды при проведении реакций. Например, ионы Ва²⁺ отделяют от ионов Са²⁺ и Sr²⁺ дихромат-ионами в присутствии ацетатного буферного раствора. Цветные качественные реакции с органическими индикаторами так же выполняют при строго определенных значениях рН. Например, фенолфталеин изменяет окраску с малиновой на бесцветную, а метиловый оранжевый изменяет окраску с желтой на красно-оранжевую при переходе рН > 7 к pH < 7. Для определения жесткости водных сред используемый индикатор хромоген синий изменяет свою окраску в точке эквивалентности только в среде с рН = 9.

---

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  

---



Буферная емкость Lavoro 300 ГВС

Бак теплоаккумулятор (буферная емкость) Lavoro c ГВС  предназначен для использования в системах отопления с возможностью получения ГВС. Емкость накапливает и сохраняет избытки тепловой энергии от различных источников тепла, т.е. если Вам необходима совместная работа нескольких источников тепла, например, Вы хотите объединить работу твердотопливного котла и электрического котла, или газового котла и дровяного котла, или теплового насоса и твердотопливного котла и электрического котла, и так далее.

Хорошо сочетает следующие источники тепла

• Твердотопливный котел
• Котел на биомассе
• Пеллетный котел
• Камин с водяной рубашкой
• Тепловой насос
• Газовый котел
• Электрический котел

Теплообменник контура ГВС выполнен из высококачественной нержавеющей стали марок AISI304 и AISI 316 L. С такой системой вы не будете думать о замене магниевых анодов каждые 0,5- 1 год.

Теплоаккумулятор Lavoro изготовлен из углеродистой стали толщиной 2-5 мм. Изоляция бака выполнена по технологии NOFIRE из полиэфирного материала толщиной 70 мм, поддающегося 100% вторичной переработке (экологически безопасный материал), материал обладает высоким коэффициентом сопротивления теплопередачи, а так же высоким классом огнестойкости класса B-s2d0 в соответствии с Европейскими требованиями EN 13501.

Теплоаккумуляторы рассчитаны на рабочую температуру с использованием воды и водно-гликолевых, а также спиртовых растворов от +2 до +95 градусов по Цельсию.

С наружной стороны бак защищен легкой и прочной алюминиевой изоляцией.

Внешняя сторона бака окрашена термостойкой краской способной выдерживать динамические изменения температуры.
Нижняя опора бака выполнена по принципу кольцевой опоры, позволяющей равномерно распределять вес бака на поверхность пола и обеспечить устойчивость.
Все баки оснащены подводящими и отводящими штуцерами, выполненными из бесшовной толстостенной трубы.

Опционально доступно

• Бак может быть изолирован эластичным пенополиуретаном толщиной 70 мм, а с наружной стороны защищен матерчатой изоляцией.
• Внутренняя поверхность бака может быть покрыта цинковым
  составом, для возможности хранения в баке горячей
  технической воды.

Технические характеристики

 

Объем	300 л
Высота	1570 мм
Диаметр	630 мм
Максимальная температура в баке	95 С
Рабочее давление бака	3 бар
Испытательное давление бака	9 бар
Максимальное давление теплообменника	6 бар
Рабочее давление теплообменника	6 бар
Внутренний диаметр трубы теплообменника	27 мм
Максимальная температура теплообменника	110 С
Площадь теплообменника	2,7 м2
Рекомендуемая мощность котла	22 кВт
Производительность теплообменника при темп. бака 65 С (65/10/45)	510 л/ч
Масса	90 кг

кислотно-щелочное – Почему буферный раствор лучше всего подходит, когда pH = pKa, т.е. когда A-/HA=1

Предварительные данные

Существует множество способов определения «буферной емкости». Хорошим интуитивным способом начать было бы сказать, что это максимальное количество кислоты (или основания), которое может выдержать раствор, прежде чем он начнет показывать значительное изменение pH. Хотя это неплохо, очевидно, возникает вопрос, что считается «значительным»?

Однако давайте начнем с самого начала, изучив (в самых общих чертах), как работает буфер. 9+}$$

увеличение кислотности вызывает сдвиг влево, а увеличение основности – вправо.

Итак, таким образом, буфер действует как поглотитель протонов, поглощая/высвобождая протоны по мере необходимости для поддержания pH раствора.

Говорят, что буфер разрушается, когда мы добавляем много кислоты/основания, и это потребляет все $\ce{A-}$ / $\ce{HA}$ соответственно.

Раствор с более слабым основанием, $\ce{A-}$, имеет более высокую буферную емкость для добавления сильной кислоты. Раствор с более слабой кислотой, $\ce{HA}$, обладает более высокой буферной емкостью для добавления сильного основания. поглощать сильную кислоту или основание определяется индивидуальными концентрациями сопряженного основания и кислоты. 9-}{HA}\right)$$

сделайте $\delta = 0$ и готово. Вы можете назвать это своим идеальным случаем, идеальным буфером.

Теперь вы можете рассматривать устойчивость буфера к щелочи и кислоте отдельно, а также определять кислотную и щелочную буферную емкость ($\beta_a$ и $\beta_b$) для очень простых случаев (читайте предостережения).

Стехиометрическое соотношение сопряженного основания и кислоты составляет 1:1. $\Delta$ обозначает произвольное изменение $\delta$ после того, как прореагировало $\alpha$ моль $\ce{HA}$ (после добавления сильного основания) 9-}]}$$

$\beta_a = \beta_b$ тогда и только тогда, когда $\delta = 0$ В противном случае буфер проявляет большую устойчивость к кислотам или основаниям.

---

Предостережения

Это хорошее упражнение для развития хорошего базового понимания, однако оно не имеет большого практического применения. Здесь рассматривался только простой буфер, т. е. без нескольких слабых оснований и кислот. Кроме того, полипротонные кислоты не учитывались.

---

Формальное определение буферной емкости

Формальное определение буфера немного пугает, но я все равно вставлю его здесь. Очевидно, что в повседневной жизни мало смысла иметь два разных типа емкостей, одну для кислот и одну для щелочей. Поэтому нам нужно что-то более общее, что по-прежнему включает интуицию, которую мы уже развили до сих пор (хотя это может показаться неочевидным)

Пусть $n$ будет числом эквивалентов добавленного сильного основания (на 1 л раствора). Обратите внимание, что добавление $dn$ молей кислоты изменит pH точно на такое же значение, но в противоположном направлении. Я попытаюсь вывести формулу, связывающую буферную емкость с pH, pKa и концентрацией буфера — все числа мы можем легко получить. 9+}] \tag{2}$$

$[\ce{B+}]$ не что иное, как концентрация присутствующего сильного основания или количество присутствующих молей, поскольку мы принимаем объем 1 л(:D ), так что это просто $n$ в решении.

$$C_{b} = [\ce{HA}]+[\ce{A-}] \tag{3}$$

и $$[\ce{HA}] = \frac{[\ ce{A-}][\ce{H+}]}{K_a} \tag{4}$$

из 3 и 4,

$$ [\ce{A-}] = \frac{C_bK_a}{ K_a+ [\ce{H+}]} \tag{5} $$

Используя определение $K_w$, уравнения 2 и 5

$$n = \frac{K_w}{[\ce{H+}]} – [\ce{H+}]+ \frac{C_bK_a}{K_a+ [\ce{H+}]} \tag{6}$$ 92} \right )$$

Хочу отметить, что первые два члена формулы буферной емкости не зависят от наличия буфера в растворе. Почему? Они просто говорят нам, что растворы с высоким (или низким) pH устойчивы к изменениям pH. Простой.

На приведенном выше графике показано, как изменяется буферная емкость для 0,1 М раствора уксуснокислого буфера. Как и ожидалось, буфер проявляет наибольшую устойчивость к добавлению кислот и оснований для эквимолярного раствора (при pH=pKa). Из графика также видно, что буферная емкость имеет достаточно высокие значения только для рН, близких к значению рКа. Чем дальше от оптимального значения, тем меньше буферная емкость раствора. Раствор, содержащий только сопряженное основание (pH 8-10), имеет нулевую буферную емкость, при более высоком pH большую роль начинает играть присутствие сильного основания. В случае раствора чистой уксусной кислоты (pH ниже 3) pH уже достаточно низок, чтобы быть устойчивым к изменениям из-за высокой концентрации $\ce{H+}$.

Буферная емкость: определение и расчет

Знаете ли вы, что наша плазма крови содержит растворы, называемые буферами ? Их работа заключается в поддержании pH крови как можно ближе к 7,4! Буферы имеют решающее значение, потому что любые изменения рН крови могут привести к смерти! Буферы характеризуются диапазоном буфера и емкостью буфера ! Интересно узнать, что это значит? Продолжайте читать, чтобы узнать!

• Эта статья о буферной емкости .
• Во-первых, мы рассмотрим определения из буферного диапазона и емкость .
• Затем мы научимся определять емкость буфера .
• После этого мы рассмотрим уравнение буферной емкости и расчет .
• Наконец, мы рассмотрим некоторые примеры, связанные с емкостью буфера.

Что такое буферная емкость?

Начнем с определения буферов ар. Буферы представляют собой растворы, которые могут противостоять изменениям pH при добавлении к ним небольших количеств кислот или оснований. Буферные растворы получают либо путем сочетания слабой кислоты и сопряженного с ней основания, либо слабого основания и сопряженной с ним кислоты.

Согласно определению кислот и оснований Бренстеда-Лоури, кислоты являются веществами, которые могут отдавать протон, тогда как основания являются веществами, которые могут принимать протон.

• А 9{-}$$

  Буферы можно охарактеризовать диапазоном и емкостью буфера.

  Диапазон буфера представляет собой диапазон pH, в котором буфер действует эффективно .

  При одинаковой концентрации компонентов буфера pH будет равен pK _a . Это очень полезно, потому что, когда химикам нужен буфер, они могут выбрать буфер, который имеет кислую форму с pK _a , близким к желаемому pH. Обычно буферы имеют полезный диапазон pH = pK 9{-}]}{[HA]}$$

  Где

  • pK _a — отрицательный логарифм константы равновесия K _a.
  • [A ^– ] – концентрация сопряженного основания.
  • [HA] — концентрация слабой кислоты.

  Давайте рассмотрим пример!

  Каков pH буферного раствора, содержащего 0,080 М CH ₃ COONa и 0,10 М CH ₃ COOH? (К 9{-}]}{[HA]}$$

  $$pH=4,75+log\frac{[0,080]}{0,10}$$

  $$pH=4,65$$

  Версия Хендерсона-Хассельбаха для слабые базовые буферы есть. Однако в этом объяснении мы будем говорить только о буферных растворах, приготовленных из слабой кислоты и сопряженного с ней основания.

  Теперь предположим, что у нас есть 1-литровый буферный раствор с pH 6. К этому раствору вы решили добавить HCl. Когда вы впервые добавляете несколько молей HCl, pH может не изменяться до тех пор, пока он не достигнет точки, при которой pH раствора изменится на 9.0028 – одна единица, – от pH 6 до pH 7. Способность буфера поддерживать постоянный pH после добавления сильной кислоты или основания известна как буферная емкость .

  Буферная емкость – количество молей кислоты или основания, которое необходимо добавить к одному литру буферного раствора, чтобы понизить или повысить рН на одну единицу.

  Буферная емкость зависит от количества кислоты и основания, использованных для приготовления буфера. Например, если у вас есть 1 л буферного раствора, состоящего из 1 M CH ₃ COOH/1 M CH ₃ COONa и 1 л буферного раствора, содержащего 0,1 M CH ₃ COOH/0,1 M CH ₃ COONa, хотя оба они будут иметь одинаковый pH, первый буферный раствор будет иметь большую буферную емкость, потому что в нем больше CH ₃ COOH и CH ₃ COO ^–.

  • Чем ближе концентрация двух компонентов, тем выше буферная емкость.

  • Чем больше разница в концентрации двух компонентов, тем больше изменение pH при добавлении сильной кислоты или основания.

  Какой из следующих буферов имеет большую емкость? 0,10 М Трис-буфера против 0,010 М Трис-буфера.

  Мы узнали, что чем выше концентрация, тем больше буферная емкость! Таким образом, 0,10 М Трис-буфер будет иметь большую буферную емкость

  Буферная емкость также зависит от рН буфера. Буферные растворы с pH, равным значению pKa кислоты (pH = pKa), будут иметь наибольшую буферную емкость (т.е. буферная емкость будет максимальной, когда [HA] = [A ^– ])

  Концентрированный буфер может нейтрализовать большее количество добавленной кислоты или основания, чем разбавленный буфер!

  Определение буферной емкости

  Теперь мы знаем, что буферная емкость раствора зависит от концентрации сопряженных кислотных и сопряженных основных компонентов раствора, а также от pH буфера.

  Кислотный буфер будет иметь максимальную буферную емкость когда:

  1. Концентрации HA и A ^– большие.

  2. [HA] = [A ^– ]

  3. pH равен (или очень близок) к pK _a используемой слабой кислоты (HA). Эффективный диапазон pH = pK _a ± 1.

  Решим задачу!

  Какой из следующих буферов имеет самый высокий pH? Какой буфер имеет наибольшую буферную емкость?

  Рис. 2: HA/A-буферы, Айседора Сантос — StudySmarter Originals.

  Здесь у нас есть четыре буфера, каждый из которых содержит различную концентрацию слабой кислоты и сопряженного основания. Зеленые точки — сопряженное основание (A ^– ), а зеленые точки с прикрепленной к ним фиолетовой точкой – это слабая кислота (ГК). Под каждым рисунком указано отношение сопряженного основания к слабой кислоте, или [A ^– ]:[HA], присутствующее в каждом буферном растворе.

  Буфер с самым высоким pH будет содержать наибольшее количество A ^– по сравнению с HA. В этом случае это будет буфер 4 , поскольку он имеет отношение 4 [A ^– ] к 2 [HA].

  Буфер с наибольшей буферной емкостью будет с наибольшей концентрацией компонентов буфера и [A ^– ] = [HA]. Итак, ответ будет буфер 3 .

  Уравнение емкости буфера

  Мы можем использовать следующее уравнение для расчета емкости буфера β.

  $$Buffer\ емкость\ (\beta )=\left | \frac{\Delta n}{\Delta pH} \right |$$

  Где,

  • Δn = количество (в молях) добавленной кислоты или основания к буферному раствору.
  • ΔpH = Изменение pH, вызванное добавлением кислоты или основания (конечный pH – начальный pH) 9{2}}$$

    где

    • C — концентрация буфера. C _{total = C кислота + C соединение основание}

    • [H ₃ O ⁺ ] концентрация ионов водорода в буфере.

    • K _a – кислотная константа.

    Для вашего экзамена вас не попросят рассчитать емкость буфера с помощью этих уравнений. Но, вы должны быть знакомы с ними.

    Расчет буферной емкости

    Теперь предположим, что нам дана кривая титрования. Как мы можем найти буферную емкость на основе кривой титрования? Буферная емкость будет максимальной, когда pH = pK _a , что происходит в точке полуэквивалентности.

    См. « Кислотно-основное титрование », если вам нужен обзор кривых титрования.

    В качестве примера рассмотрим кривую титрования 100 мл 0,100 М уксусной кислоты, оттитрованной 0,100 М раствором NaOH. В точка полуэквивалентности , буферная емкость (β) будет иметь максимальное значение.

    Примеры буферной емкости

    Бикарбонатная буферная система играет важную роль в нашем организме. Он отвечает за поддержание рН крови около 7,4. Эта буферная система имеет pK 6,1, что дает ей хорошую буферную способность.

    При повышении рН крови возникает алкалоз, приводящий к легочной эмболии и печеночной недостаточности. Если рН крови снижается, это может привести к метаболическому ацидозу.

    Буферная емкость — основные выводы

    • Диапазон буфера — это диапазон pH, в котором буфер действует эффективно.
    • Буферная емкость – количество молей кислоты или основания, которое необходимо добавить к одному литру буферного раствора, чтобы понизить или повысить рН на одну единицу.
    • Чем ближе концентрация двух компонентов, тем выше буферная емкость.
    • На кривой титрования буферная емкость будет максимальной, когда pH = pKa, что соответствует точке полуэквивалентности.

    Ссылки

    1. Теодор Лоуренс Браун и др. Химия: Центральная наука. 14-е изд., Harlow, Pearson, 2018. ‌
    2. Princeton Review. Быстрая химия. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, The Princeton Review, 2020.