Roztwory buforowe, bufory.

Roztwór buforowy (bufor) to taki roztwór, który przeciwstawia się zmianom pH przy dodawaniu do niego mocnego kwasu lub mocnej zasady.

Bufory są to roztwory słabego kwasu i sprzężonej z nim zasady (w postaci soli tego kwasu), lub roztwory słabej zasady i sprzężonej z nią kwasu (w postaci soli tej zasady).

Przykłady buforów:
- bufor octanowy - roztwór CH₃COOH i CH₃COONa
- bufor amonowy - roztwór NH₄OH i NH₄Cl

Zdolność buforowania (utrzymywania pH na jednym poziomie) określana jest przez pojemność buforową β.

Pojemność buforowa jest to ilość mocnego kwasu lub mocnej zasady wyrażona w molach która dodana do 1 dm³ roztworu buforowego zmienia jego pH o jedną jednostkę.

Stężenie składników buforu odgrywa bardzo dużą rolę. Im większe ogólne stężenie składników tym większe jest buforowanie.
Na zdolność buforowania ma wpływ również proporcja składników do siebie. Pojemność buforowa osiąga maksimum wtedy, gdy oba składniki są w takich samych ilościach 1:1 wtedy: [HA]=[A^-]

pH = pKa

Na wykresie pojemność buforowa teoretycznego buforu.
Widzimy, że wykres pojemności buforowej jest w kształcie krzywej Gausa. Im niższe stężenie ogólne składników buforu tym niższy jest wykres.

Wzór na pH roztworu buforowego zawierającego słaby kwas (o stałej dysocjacji K_a i stężeniu C_K ) i sprzężoną z nim zasadę o stężeniu C_Z.

Dla stężeń w proporcji składników 1:1 pH=pK_a.

Roztwory buforowe stosujemy w chemii gdy dany proces chemiczny musi być przeprowadzony przy stałym pH.
Roztwory buforowe służą jako roztwory wzorcowe o danym (znanym) pH tzw. wzorce pH.
Zastosowanie do porównywania pH, kalibrowania, testowania urządzeń (pHmetrów).

Przykłady buforów wzorcowych:
0,025 mola NaHCO₃ + 0,025 mola Na₂HCO₃ + 1kg wody → pH dla 25° C = 10,012
0,1 mola CH₃COOH + 0,1 mola CH₃COONa + 1 kg wody → pH dla 25° C = 4,644

Uniwersalne roztwory buforowe mają dużą rozpiętość pH np: Roztwór Brittona - Robinsona, Roztwór Clarka - Labesa.

Przykład: Jak zmieni się pH przykładowego buforu:
1 dm³ roztworu zawierającego 0,5 mola CH₃COOH i 0,5 mola CH₃COONa
a) dodajemy 1 cm³ 1 molowego HCl
b) dodajemy 1cm³ 1m NaOH
c) jak zmieni się pH wody po dodaniu HCl z punktu a. do 1 dm³ wody
Stała dysocjacji kwasu octowego wynosi K_a = 1,700 • 10^-5

a) Stężenie jonów wodorowych w buforze przed dodaniem HCl jest równe stałej dysocjacji kwasu octowego.




pH = -log[H⁺]
pH=4,769
Po dodaniu 1cm³ 1m HCl jedna tysięczna mola jonów wodorowych cząsteczki HCl zostanie związana w bardzo słabo zdysocjowany kwas octowy.
HCl → H⁺ + Cl^-
H⁺ + CH₃COO^- → CH₃COOH
Jedna tysięczna ponieważ w 1 dm³ 1 molowego kwasu jest 1 mol jonów H⁺ , to w 1 cm³ jest 1/1000 = 0,001
zatem stężenie jonów wodorowych ulegnie zmianie

pH = 4,768
ΔpH = 4,769 - 4,768 = 0,001

b) W przypadku dodania 1cm³ 1m NaOH zajdzie reakcja
CH₃COOH + OH^- → CH₃COO^- +H₂O
a pH zmieni się o analogiczną wartość 0,001

c) pH wody = 7
[H⁺] = n/V = 0,001/1,001 =0,000999 w przyblizeniu 0,001
pH=3
ΔpH=7-3=4

---