Moduł III cz.2.B

2.3 Roztwory buforowe

Roztwory buforowe (albo bufory) to roztwory zachowujące w przybliżeniu stałą wartość pH

podczas dodawania niewielkich ilości nawet mocnych kwasów lub zasad lub podczas
rozcieńczania. Są to roztwory zawierające mieszaninę słabych kwasów/zasad oraz ich sprzężonych
partnerów. Składnikami mieszanin buforowych mogą być: słaby kwas i sól posiadająca sprzężony
z tym kwasem anion lub słaba zasada i sól posiadająca sprzężoną z tą zasadą kation (według
wcześniejszej terminologii– roztwory buforowe były mieszaninami słabego kwasu lub słabej zasady
i soli tych związków, odpowiednio, z mocną zasadą lub mocnym kwasem).

Działanie roztworu buforowego sporządzonego w oparciu o protolit polega na równowagowym

procesie przenoszeniu protonu z kwasu na sprzężoną z nim zasadę. Dobierając odpowiednio
stosunek stężeń sprzężonej pary (kwasu i zasady) możemy ustalić pH takiego roztworu buforowego
na podstawie stałej równowagi protolizy kwasu. Jeżeli stała protolizy kwasu jest wyraźnie mniejsza
od 10

–7

(pK

a

> 7) można spodziewać się, że odczyn roztworu buforowego będzie zasadowy (pH>7).

Równowagę między sprzężonym kwasem a zasadą dla roztworu buforowego stanowiącego
mieszaninę słabego kwasu HA i jego soli zawierającej sprzężoną zasadę A– określa stała dysocjacji
kwasu:

K

a

=

[

A

−

.

][

H

3

O

+

.

]

[

HA]

Dla mieszaniny buforowej składającej się z roztworu słabego kwasu (np. CH

3

COOH) i jego soli

(octan sodu) zawierajacej sprzężoną z nim zasadę (CH

3

COO

-

) można z dobrym przyblizeniem

przyjąć, że stężenie niezdysocjowanego kwasu [HA] = c

HA

a stężenie sprzężonej zasady [A

-

] = c

B,

wówczas otrzymujemy:

K

a

=

c

B

[

H

3

O

+

.

]

c

HA

lub

[

H

3

O

+

.

]=

K

a

c

HA

c

B

i po zlogarytmowaniu otrzymujemy równanie:

pH = pK

a

+ log c

B

- log c

HA

które dobrze opisuje właściwości buforu pod warunkiem, że pH nie jest bliskie 0 lub 14.

Roboczy zakres skutecznego działania roztworu buforowego wynosi około ±1 jednostki pH

wokół pK

a.

Zakres skutecznego działania roztworu buforowego wiąże się z tak zwaną pojemnością

buforową, β, którą, definiujemy jako stosunek zmiany stężenia jonu H

3

O

+

przypadający na

wywołaną tym zmianę pH. W praktyce pojemność buforową określa się jako liczbę moli jonów
H

3

O

+

lub OH

-

jaką należy wprowadzić do 1 dm

3

roztworu buforowego, aby zmienić jego pH o

jednostkę:

β =

c

Δ

pH

mol /dm

3

gdzie: c - stężenie jonów H

3

O

+

lub OH

-

wprowadzonych (w postaci mocnego kwasu lub mocnej

zasady) do roztworu buforowego,

∆

pH - zmiana pH roztworu spowodowana dodaniem mocnego

kwasu lub zasady. Pojemność buforowa zależy od stopnia rozcieńczenia roztworu i stosunku c

HA

/c

B

i dla typowych mieszanin buforowych (pH w granicach 3 ÷ 11) można ją oszacować korzystając z
następującej zależności:

β =

2,3

(

c

HA

+

c

B

)

K

a

[

H

3

O

+

.

]

(

K

a

+[

H

3

O

+

.

])

2

Szczególny przypadek stanowią roztwory buforowe sporzadzone z równomolowych ilości kwasu i
zasady. Wówczas c

HA

= c

B ,

a pH ≈ pK

a

. Pojemność buforowa takiej mieszaniny jest największa i

wynosi około 1,15 c

HA

.

Zadania

1.

Zmieszano 50 cm

3

0.5 M roztworu kwasu mrówkowego HCOOH, 100 cm

3

0,25 M

mrówczanu potasu HCOOK oraz 350 cm

3

wody. Jaki jest stopień dysocjacji kwasu

mrówkowego oraz pH w tym roztworze?( pK

aHCOOH

=3,57)

2.

Zmieszano 50 cm

3

0,2 M roztworu NH

4

Cl z 50 cm

3

0,15 M roztworu KOH. Oblicz pH

otrzymanego roztworu. pK

aNH4+

=9,032.

3.

Do 50 cm

3

0,1 M H

3

PO

4

dodano 25 cm

3

0,25 M Na

3

PO

4

. Obliczyć pH roztworu oraz

określić, jak zmieni się ono po dodaniu do tego roztworu 10 cm

3

0,15 M roztworu KOH.

pK

a2

= 6,56.

4.

Roztwór buforowy zawiera 0,08 mola kwasu octowego i 0,08mola octanu sodu w 1dm

3

.

Obliczyć zmianę pH roztworu po dodaniu: a) 0,015 mola HCl na 1 dm

3

, b) 0,015 mola

NaOH na 1 dm

3

, c) porównać te zmiany pH ze zmianą pH kwasu solnego spowodowaną

dodaniem 0,015 mol HCl do 1 dm

3

tego kwasu, którego początkowa wartość pH była taka

sama, jak pH danego roztworu buforowego. pK

aCH3COOH

= 4,75.

5.

Zmieszano 50 cm

3

0,3 M roztworu amoniaku z 30 cm

3

0,2667 M roztworu siarczanuVI)

amonu. Obliczyć pH otrzymanego roztworu. pKb = 4,75.

Odpowiedzi do zadań:

1.

α=0,54%, pH =3,7

2.

9,71

3.

7,21

4.

ΔpHa = 0,16; ΔpHb = 0,17; ΔpHc = 2,93

5.

9,16