kod kursu:
WPC 2002l
Podstawy Chemii Nieorganicznej
Ćwiczenia laboratoryjne
ROZTWORY BUFOROWE
Opracowanie: Andrzej T. Kowal
1. CZ
ŚĆ TEORETYCZNA
Mianem roztworów buforowych okreÅ›la siÄ™ roztwory, których pH ulega jedynie nieznacz­
nej zmianie pod wpływem dodatku mocnego kwasu lub mocnej zasady. Jakkolwiek definicję taką
trudno uznać za precyzyjną (jak interpretować  nieznaczną zmianę pH ?), to stanowi ona pełną
charakterystykę roztworów buforowych. Najczęściej stosowane roztwory buforowe to roztwory:
słabego kwasu i jego soli z mocną zasadą, słabej zasady i jej soli z mocnym kwasem, dwóch soli
kwasu wielozasadowego o różnej zawartości atomów wodoru. Poznanie własności roztworów
buforowych jest istotne zarówno z powodu roli jakÄ… peÅ‚niÄ… w organizmach żywych jak również za­
stosowaÅ„ praktycznych w wielu dziedzinach chemii. Funkcjonowanie wiÄ™kszoÅ›ci enzymów wy­
maga środowiska o ściśle kontrolowanej wartości pH a odchylenia nawet rzędu 0,10 jednostki pH
w stosunku do wartości optymalnej skutkują obniżeniem aktywności katalitycznej enzymu lub (w
przypadku wiÄ™kszych zmian pH) jego nieodwracalnÄ… denaturacjÄ…. Wartość pH osocza krwi, utrzy­
­
mująca się w przedziale: 7,35  7,45 na skutek działania układu buforowego H CO /HCO , jest
2 3 3
charakterystyczna dla organizmów zdrowych, zaÅ› zmiana pH poza te granice (spowodowana za­
burzeniem procesów metabolicznych lub oddechowych) prowadzi do stanów patologicznych okre­
Å›lanych mianem alkalozy lub acidozy (kwasicy). Biotechnologiczne zastosowania enzymów w ce­
lach preparatywnych i przemysłowych są możliwe dzięki wykorzystaniu odpowiednich roztworów
buforowych, zapewniających optymalną aktywność katalityczną stosowanego enzymu. Znaczna
część reakcji stosowanych w chemii analitycznej do oznaczenia zawartoÅ›ci analizowanego skÅ‚ad­
nika próbki wymaga kontrolowanego pH (np. reakcje tworzenia zwiÄ…zków kompleksowych) i uży­
cie odpowiedniego roztworu buforowego jest niezbędne dla poprawnego wykonania oznaczenia.
1.1 Mechanizm dziaÅ‚ania roztworów buforowych [1­3]
1.1.1 Roztwory buforowe zawierające słaby kwas (jednozasadowy) HA i sprzężoną z nim
zasadę (anion soli słabego kwasu i mocnej zasady).
W roztworze obok anionów A­ pochodzÄ…cych z dysocjacji sÅ‚abego kwasu HA wystÄ™pujÄ… również
aniony pochodzÄ…ce z dysocjacji soli MA:
HA "! H+ + A­
MA M+ + A­
Po uwzględnieniu równań bilansowych:
c = [HA] + [A­] = [HA] + [H+] oraz c = [A­]
a a s s
gdzie c jest caÅ‚kowitym stężeniem sÅ‚abego kwasu, [HA] stężeniem niezdysocjowanych czÄ…ste­
a
czek sÅ‚abego kwasu, [A­] stężeniem anionów pochodzÄ…cych z dysocjacji kwasu HA, a [A­] stęże­
a s
niem anionów pochodzących z dysocjacji soli, wyrażenie na stałą dysocjacji słabego kwasu
można zapisać:
+ + +
+
[ H ]( [ A-]aƒÄ…[ A-]s ) [H ]([H ]ƒÄ…cs )
[H ][ A-]
K = = =
a
+ +
[HA]
ca-[ H ] ca-[ H ]
Jeżeli stężenie jonów wodorowych w roztworze buforowym jest znacznie mniejsze od całkowitego
stężenia każdego ze składników buforu (w sensie dwóch rzędów różnicy; c >> [H+] i c >> [H+]), to
a s
wtedy:
cs ca na
+ +
K =[ H ] [H ] = K = Ka
, a stÄ…d:
a a
ca cs ns
Dodanie niewielkiej iloÅ›ci mocnego kwasu HX do takiego roztworu buforowego (n < n ) powo­
HX MA
duje protonowanie anionów A­:
HX H+ + X­ A­ + H+ "! HA
0 0 0
i zmianę liczności obu składników roztworu buforowego: n = n + n ; n = n  n , gdzie n i
a a HX s s HX a
0
n są początkowymi licznościami słabego kwasu oraz jego soli. Stężenie jonów wodorowych w
s
roztworze po dodaniu HX można obliczyć z wyrażenia na stałą dysocjacji słabego kwasu:
+ + +
+
[ H ]( [ A-]aƒÄ…[ A-]s ) [H ]( [H ]ƒÄ…c' )
[H ][ A-]
s
K = = = ,
a
+ +
[HA]
c' -[ H ] c' -[ H ]
a a
c' n0 ƒÄ… nHX
+ a a
a jeśli c' >> [H+] i c' >> [H+] to: [H ] = K = K
a s
a
c' a n0 - nHX
s s
gdzie c' i c' są całkowitymi stężeniami składników roztworu buforowego w roztworze po reakcji z
a s
HX.
Stosowanie wzoru uproszczonego wymaga ostrożności w przypadku roztworów
buforowych, w których słaby kwas charakteryzuje się stosunkowo dużą wartością stałej
dysocjacji (K rzędu 10-3 i więcej) oraz bardzo rozcieńczonych roztworów buforowych, gdy
a
stopień dysocjacji słabego kwasu przekracza granicę 1,0 % i/lub stężenie całkowite soli nie
spełnia warunku: c' >> [H+].
s
Dodanie niewielkiej iloÅ›ci mocnej zasady MOH do roztworu buforowego HA/A­ (n < n ) powo­
MOH HA
duje zmniejszenie liczności słabego kwasu i przyrost liczności jego soli w roztworze buforowym: n
a
= n0 ­ n ; n = n0 + n na skutek reakcji:
a MOH s s MOH
2
MOH M+ + OH­ OH­ + HA "! A­ + H O
2
i wtedy wyrażenie na stałą dysocjacji słabego kwasu można zapisać jako:
+ + +
+
[ H ]([ A-]aƒÄ…[ A-]s ) [H ]( [H ]ƒÄ…c' )
[H ][ A-]
s
Ka = = = ,
+ +
[HA]
c' -[ H ] c' -[ H ]
a a
a stężenie jonów wodorowych (gdy c' >> [H+] i c' >> [H+]) będzie dane wyrażeniem:
a s
c' n0 - nMOH
+ a a
[H ] = K = K
a
c' a n0 ƒÄ… nMOH
s s
1.1.2 Roztwory buforowe zawierające słabą zasadę BOH i sprzężony z nią kwas B+
(kation soli słabej zasady i mocnego kwasu).
W takim roztworze buforowym oprócz kationów B+ pochodzÄ…cych z dysocjacji sÅ‚abej zasady wy­
stępują również kationy B+ wytworzone w reakcji dysocjacji soli BX:
BOH "! B+ + OH­
BX B+ + X­
Uwzględnienie równań bilansowych:
c = [BOH] + [B+] = [BOH] + [OH­] oraz c = [B+]
b b s s
gdzie c jest caÅ‚kowitym stężeniem sÅ‚abej zasady, [BOH] stężeniem niezdysocjowanych czÄ…ste­
b
czek słabej zasady, [B+] stężeniem kationów pochodzących z dysocjacji zasady BOH, a [B+]
b s
stężeniem kationów pochodzÄ…cych z dysocjacji soli, pozwala przedstawić wyrażenie na staÅ‚Ä… dy­
socjacji słabej zasady w postaci:
- - -
-
([ B+]bƒÄ…[ B+]s ) [OH ] ( [OH ]ƒÄ…cs )[OH ]
[B+][OH ]
K = = =
b
- -
[ BOH ]
cb-[OH ] cb-[OH ]
JeÅ›li stężenie jonów wodorotlenowych w roztworze buforowym jest znacznie mniejsze od caÅ‚kowi­
tego stężenia każdego ze skÅ‚adników buforu (w sensie dwóch rzÄ™dów różnicy; c >> [OH­] i c >>
b s
[OH­]), to wtedy:
cs cb nb
- -
K =[OH ] [OH ] = Kb = K
, a stÄ…d:
b
cb cs b ns
Dodatek nieznacznej iloÅ›ci mocnego kwasu HX do roztworu buforowego BOH/B+ (n < n ) po­
HX BOH
woduje zmniejszenie licznoÅ›ci sÅ‚abej zasady BOH i przyrost licznoÅ›ci jej soli (B+) z mocnym kwa­
sem: n = n0 ­ n ; n = n0 + n (n0 i n0 sÄ… poczÄ…tkowymi licznoÅ›ciami sÅ‚abej zasady oraz jej
b b HX s s HX b s
soli w roztworze buforowym) w wyniku reakcji:
HX H+ + X­ BOH + H+ "! B+ + H O
2
Stężenie jonów wodorotlenowych w roztworze buforowym po dodaniu HX można obliczyć z wyra­
żenia na stałą dysocjacji słabej zasady:
3
- - -
-
([ B+]bƒÄ…[ B+]s ) [OH ] ( [OH ]ƒÄ…c' )[OH ]
[B+][OH ]
s
K = = = ,
b
- -
[ BOH ]
c' -[OH ] c' -[OH ]
b b
c' n0 - nHX
- b b
a jeÅ›li c' >> [OH­] i c' >> [OH­] to: [OH ] = K = K
b s
b
c' b n0 ƒÄ… nHX
s s
gdzie c' i c' są całkowitymi stężeniami składników roztworu buforowego w roztworze po reakcji z
b s
HX.
Jeżeli do roztworu buforowego o składzie BOH/B+ wprowadzić nieznaczną ilość mocnej zasady
MOH (n < n ), to wtedy na skutek reakcji:
MOH BX
MOH M+ + OH­ B+ + OH­ "! BOH
ulegną zmianie liczności obu składników roztworu buforowego: n = n0 + n ; n = n0  n (n0
b b MOH s s MOH b
i n0 są początkowymi licznościami słabej zasady oraz jej soli w roztworze buforowym).
s
Stężenie jonów wodorotlenowych w roztworze buforowym po dodaniu mocnej zasady MOH
można obliczyć z wyrażenia na stałą dysocjacji słabej zasady:
- - -
-
([ B+]bƒÄ…[ B+]s ) [OH ] ( [OH ]ƒÄ…c' )[OH ]
[B+][OH ]
s
K = = = ,
b
- -
[ BOH ]
c' -[OH ] c' -[OH ]
b b
c' n0 ƒÄ… nMOH
- b b
a jeÅ›li c' >> [OH­] i c' >> [OH­] to: [OH ] = K = K
b s
b
c' b n0 - nMOH
s s
gdzie c' i c' są całkowitymi stężeniami składników roztworu buforowego w roztworze po reakcji z
b s
MOH.
1.1.3 Roztwory buforowe zawierające dwie sole słabego kwasu (wielozasadowego)
różniÄ…ce siÄ™ zawartoÅ›ciÄ… atomów wodoru (kwas H A­ i sprzężonÄ… z nim zasadÄ™ HA2­ ;
2
kwas HA­ i sprzężonÄ… z nim zasadÄ™ A2­).
­ 2­ ­ 2­
Ten rodzaj roztworów buforowych (np. H PO /HPO ; HCO /CO ) cieszy siÄ™ znacznÄ… popularno­
2 4 4 3 3
Å›ciÄ… ze wzglÄ™dów praktycznych [1,3,4]. WÅ‚asnoÅ›ci roztworu buforowego H A­/HA2­ można zanalizo­
2
wać uwzględniając reakcje dysocjacji:
+
[ H ][ H A-]
2
H A "! H+ + H A­ K =
3 2
a1
[ H A]
3
+
[ H ][HA2-]
K =
H A­ "! H+ + HA2­
2 a2
[ H A-]
2
+
[ H ][ A3-]
K =
HA2­ "! H+ + A3­
a3
[HA2-]
4
MH A M+ + H A­ H A­ "! H+ + HA2­
2 2 2
M HA 2 M+ + HA2­
2
Po uwzględnieniu równań bilansowych:
+
ca = cMH A = [ H A-] ƒÄ… [ HA2-]MH A = [H A-] ƒÄ… [ H ] cs = cM HA = [ HA2-]M HA
2 2
2 2 2 2
gdzie c jest caÅ‚kowitym stężeniem sÅ‚abego kwasu H A­ , [H A­] stężeniem niezdysocjowanych
a 2 2
czÄ…steczek sÅ‚abego kwasu, [HA2­] stężeniem anionów pochodzÄ…cych z dysocjacji kwasu H A­ ,
MH2A 2
a [HA2­] stężeniem anionów pochodzÄ…cych z dysocjacji soli M HA, wyrażenie na staÅ‚Ä… dy­
M2HA 2
socjacji sÅ‚abego kwasu H A­ można zapisać:
2
+ + +
+
[H ]( [ HA2-]MH A ƒÄ… [HA2-]M HA ) [ H ]( [H ] ƒÄ… cM HA )
[ H ][HA2-]
2 2 2
K = = =
a2
+ +
[ H A-] cMH A - [ H ] cMH A - [H ]
2
2 2
Jeżeli stężenie jonów wodorowych w roztworze buforowym jest znacznie mniejsze od całkowitego
stężenia każdego ze składników buforu (w sensie dwóch rzędów różnicy; c >> [H+] i c >> [H+]), to
a s
wtenczas:
cM HA cMH A nMH A
+ +
2 2 2
K =[H ] [H ] = K = K
, a stÄ…d:
a2 a2
cMH A cM HA a2 nM HA
2 2 2
JeÅ›li do roztworu buforowego o skÅ‚adzie H A­/HA2­ dodać niewielkÄ… ilość mocnego kwasu HX (n
2 HX
< n ), to spowoduje to protonowanie (w głównej mierze) anionu HA2­ :
M2HA
HX H+ + X­ HA2­ + H+ "! H A­
2
a liczności składników roztworu buforowego po reakcji będą równe: n = n0 + n ; n =
MH2A MH2A HX M2HA
n0 ­ n , gdzie n0 i n0 sÄ… poczÄ…tkowymi licznoÅ›ciami obu skÅ‚adników. StaÅ‚Ä… dysocjacji
M2HA HX MH2A M2HA
kwasu H A­ w roztworze buforowym o zmienionym skÅ‚adzie można przedstawić w postaci:
2
+ + +
+
[H ]([ HA2-]MH A ƒÄ… [HA2-]M HA ) [ H ]([H ] ƒÄ… c' )
[ H ][HA2-] M HA
2 2 2
Ka2 = = =
,
+ +
[ H A-] c' - [ H ] c' - [H ]
2 MH2 A MH A
2
c' n0 ƒÄ… nHX
MH2 A MH2 A
+
[H ] = K = K
a jeśli c' >> [H+] i c' >> [H+] to:
MH2A M2HA a2 a2
c' n0 - nHX
M HA M HA
2 2
gdzie c' i c' są stężeniami składników roztworu buforowego w roztworze po dodaniu kwasu
MH2A M2HA
HX.
Podobnie, dodanie niewielkiej ilości mocnej zasady MOH (n < n ), do roztworu buforowego
MOH MH2A
H A­/HA2­ spowoduje zmniejszenie licznoÅ›ci sÅ‚abego kwasu H A­ i przyrost licznoÅ›ci soli HA2­ :
2 2
n = n0 ­ n ; n = n0 + n , gdzie n0 i n0 sÄ… poczÄ…tkowymi licznoÅ›ciami
MH2A MH2A MOH M2HA M2HA MOH MH2A M2HA
obu składników. Stężenie jonów wodorowych w roztworze buforowym po reakcji można obliczyć z
wyrażenia definiującego stałą dysocjacji:
5
+ + +
+
[H ]([ HA2-]MH A ƒÄ… [HA2-]M HA ) [ H ]([H ] ƒÄ… c' )
[ H ][HA2-] M HA
2 2 2
Ka2 = = =
,
+ +
[ H A-] c' - [ H ] c' - [H ]
2 MH2 A MH A
2
c' n0 - nMOH
MH2 A MH2 A
+
[H ] = K = K
a jeśli c' >> [H+] i c' >> [H+] to:
MH2A M2HA
a2 a2
c' n0 ƒÄ… nMOH
M HA M HA
2 2
gdzie c' i c' są stężeniami składników roztworu buforowego w roztworze po dodaniu kwasu
MH2A M2HA
HX.
1.2 Wpływ rozcieńczenia na pH roztworów buforowych [3]
Rozcieńczenie roztworu buforowego (przy zachowaniu stałej siły jonowej roztworu) nie ma wpływu
na jego pH tak długo, jak długo stopień dysocjacji składnika buforu pełniącego rolę słabego kwasu
lub sÅ‚abej zasady jest mniejszy od 1,0 % i/lub stężenie skÅ‚adnika peÅ‚niÄ…cego rolÄ™ soli speÅ‚nia wa­
runek: c' >> [H+] (c' >> [OH­]). WÅ‚asność taka wynika bezpoÅ›rednio z postaci wyrażenia okreÅ›la­
s s
jÄ…cego stężenie jonów wodorowych (lub wodorotlenowych) w roztworach buforowych rozważa­
nych typów (1.1.1, 1.1.2 i 1.1.3):
cMH A nMH A
ca na cb nb
+
+ - 2 2
[H ] = K = Ka [OH ] = K = K [H ] = K = K
a2
a b
cM HA a2 nM HA
cs ns cs b ns
2 2
Ponieważ rozcieńczenie nie zmienia wartości stosunku stężeń całkowitych składników roztworu
buforowego (stężenia obu składników zmniejszają się w tym samym stopniu), to stężenie jonów
H+ (OH­) pozostaje niezmienione tak dÅ‚ugo, jak dÅ‚ugo speÅ‚nione sÄ… warunki: c' >> [H+] i c' >> [H+]
a s
(c' >> [OH­] i c' >> [OH­]).
b s
1.3 Pojemność roztworów buforowych [1­5]
Pojemność roztworu buforowego definiuje siÄ™ jako liczność [mol] mocnego kwasu lub mocnej za­
sady, która dodana do 1,00 dm3 roztworu buforowego powoduje zmianę jego pH o 1,00 jednostki
pH:
­Ä…nMOH ­Ä…nHX
dnMOH dnHX
¸Ä… = =- lub dla skoÅ„czonych przyrostów: ¸Ä… = = -
dpH dpH ­Ä… pH ­Ä… pH
gdzie: n i n są licznościami mocnego kwasu i mocnej zasady dodawanymi do roztworu
HX MOH
buforowego, a znak  ­ uwzglÄ™dnia fakt, że dodanie mocnego kwasu do roztworu buforowego po­
woduje zmniejszenie wartości pH ("pH < 0) tego roztworu.
Pojemność roztworu buforowego jest tym wiÄ™ksza im wiÄ™ksze sÄ… stężenia (licznoÅ›ci) jego skÅ‚ad­
ników, podczas gdy roztwór buforowy w którym liczności obu składników są jednakowe wykazuje
dwie istotne cechy: a) jego pojemność buforowa osiąga maksimum, b) pojemność buforu w
stosunku do mocnego kwasu i mocnej zasady jest taka sama [4,5].
6
Zależność pH roztworu buforowego zawierającego 10,0 mmol CH COOH i 10,0 mmol CH COONa
3 3
w 50,0 cm3 roztworu od objÄ™toÅ›ci dodanego roztworu mocnego kwasu (1,00 M HCl) i mocnej za­
sady (1,00 M NaOH) przedstawiono schematycznie na Rysunku 1. WartoÅ›ci pH roztworów otrzy­
manych w wyniku dodania od 1,00 do 4,00 cm3 roztworu mocnego kwasu lub mocnej zasady do
takiego roztworu buforowego zależą liniowo od objętości dodanego roztworu kwasu solnego lub
wodorotlenku sodu i można je wykorzystać do wyznaczenia pojemności buforu. Zmiana pH buforu
spowodowana dodaniem 4,00 cm3 1,00 M HCl (czyli 4,00 mmol HCl) wynosi: "pH = 4,38 ­ 4,75 =
­0,37. Odniesienie obserwowanej zmiany pH do roztworu buforowego o objÄ™toÅ›ci 1,00 dm3 po­
zwala obliczyć pojemność buforową w stosunku do HCl:
­Ä…nHCl 0,00400mol " 1,00dm3
¸Ä… = - = - H" 0,216 = 0,22 mol
­Ä… pH
-0,37"0,0500 dm3
Pojemność rozważanego roztworu buforowego w odniesieniu do wodorotlenku sodu można wy­
znaczyć w analogiczny sposób.
Rysunek 1. Zależność pH roztworu buforowego 0,20 M CH COOH / 0,20 M CH COONa (V = 50,0
3 3
cm3) od objętości dodanego mocnego kwasu (1,00 M HCl) i mocnej zasady (1,00 M
NaOH).
1.4 Elektrochemiczny pomiar pH
Aktywność jonów hydroniowych (wodorowych) ma decydujący wpływ na równowagi jonowe w
roztworach wodnych i należy do najczęściej mierzonych cech tych roztworów. Wygodnym spo­
sobem wyrażania aktywnoÅ›ci jonów wodorowych jest pH, definiowane jako: pH = ­ log (a /a0),
10 H+
gdzie a0 jest aktywnością standardową (1,00 mol/dm3). Jednym z układów elektrochemicznych
7
których potencjał (lub siła elektromotoryczna) zależy od aktywności jonów wodorowych jest
 elektroda szklana:
Ag/AgCl | H+, Cl­ | membrana szklana || badany roztwór H+ | półogniwo odniesienia (Ag/AgCl)
skÅ‚adajÄ…ca siÄ™ z elektrody Ag/AgCl zanurzonej w roztworze jonów Cl­ o staÅ‚ym pH (0,10 M HCl),
który umieszczono w rurce szklanej zakończonej membraną szklaną o kulistym kształcie.
Półogniwo odniesienia może być umieszczone we wnÄ™trzu obudo­
wy elektrody szklanej i taki sensor aktywności jonów wodorowych
bywa okreÅ›lany mianem  elektrody zintegrowanej. KonstrukcjÄ™ zin­
tegrowanego czujnika pH przedstawiono na Rysunku 2.
obudowa czujnika
elektroda odniesienia (Ag/AgCl)
szkło porowate (kontakt z roztworem badanym)
0,10 M HCl
elektroda Ag/AgCl
membrana szklana
AgCl
Rysunek 2. Budowa zintegrowanego czujnika pH ( elektrody szklanej).
Oddziaływanie jonów wodorowych z powierzchnią membrany szklanej:
Si­O­ + H O+ = Si­O­H+ + H O
3 2
jest zależne od aktywności jonów wodorowych w roztworze stykającym się z membraną i jest
z
ródłem potencjału na granicy faz: membrana szklana  roztwór. Potencjał ten jest stały we
wnÄ™trzu  elektrody szklanej (staÅ‚e stężenie 0,10 M HCl), a ulega zmianom na zewnÄ™trznej po­
wierzchni membrany, która styka się z roztworem badanym. Z tego powodu potencjał  elektrody
szklanej zależy (w stałej temperaturze) jedynie od aktywności jonów wodorowych w analizowanym
roztworze:
RT
Eel. szklana = E ' ƒÄ… log aH +
2,303 F
8
gdzie E' jest sumą potencjałów wewnętrznej membrany szklanej i obu elektrod Ag/AgCl; R jest
uniwersalnÄ… staÅ‚Ä… gazowÄ…, T  temperaturÄ… w skali Kelvina, F  staÅ‚Ä… Faraday­a, a przelicznik
2,303 wynika z zamiany logarytmu naturalnego na dziesiętny ( ln 10 = 2,303...).
Mierzona wartość potencjału zależy od temperatury, siły jonowej roztworu, oraz obecności jonów
oddziaływujących z materiałem membrany szklanej i zmienia się o około 60 mV na jednostkę pH.
LITERATURA
1. J. Minczewski, Z. Marczenko,  Chemia analityczna. I. Podstawy teoretyczne i analiza jakościowa ,
Wydanie 7, PWN, Warszawa, 1998.
2. T. Lipiec, Z. Szmal,  Chemia analityczna z podstawami analizy instrumentalnej , PZWL, 1980 i
póz
niejsze.
3. A. Jabłoński, T. Palewski, L. Pawlak, W. Walkowiak, B. Wróbel, B. Ziółek i W. Żyrnicki,  Obliczenia w
chemii nieorganicznej , Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997, 1998, 2002.
4. A. Hulanicki,  Reakcje kwasów i zasad w chemii analitycznej , Wydanie 2, PWN, Warszawa 1980
5. E. T. Urbansky, M. R. Schock,  Understanding, deriving and computing buffer capacity , J.Chem.
Educ. 77(12), 1640  1644 (2000)
6. Ivano G. R. Gutz,  CurTiPot arkusz kalkulacyjny pomocny w obliczeniach równowag jonowych w
roztworach słabych kwasów i zasad, http://www2.iq.usp.br/docente/gutz/Curtipot_.html
Pytania kontrolne:
1. Obliczyć pH roztworu buforowego zawierającego 5,00 mmol kwasu octowego i 5,00 mmol octanu sodu
w 25,0 cm3 roztworu. (pK = 4,79; pK = 14,00)
a w
2. Obliczyć pH roztworu buforowego zawierającego 1,00 mmol kwasu octowego i 5,00 mmol octanu sodu
w 50,0 cm3 roztworu. (pK = 4,79; pK = 14,00)
a w
3. Obliczyć pH roztworu buforowego zawierającego 5,00 mmol CH ClCOOH i 5,00 mmol CH ClCOONa w
2 2
100 cm3 roztworu. (pK = 2,86; pK = 14,00)
a w
4. Obliczyć pH roztworu buforowego zawierajÄ…cego 5,00 mmol HNO i 1,00 mmol NaNO w 100 cm3 roz­
2 2
tworu. (pK = 3,148; pK = 14,00)
a w
5. Obliczyć pH roztworu buforowego zawierającego 5,00 mmol NH i 5,00 mmol (NH ) SO w 50,0 cm3
3 4 2 4
roztworu. (pK = 4,75; pK = 14,00)
b w
6. Obliczyć pH roztworu buforowego zawierającego 1,00 mmol NaHCO i 5,00 mmol Na CO w 100 cm3
3 2 3
roztworu. (pK = 6,35; pK = 10,32; pK = 14,00)
a1 a2 w
7. Obliczyć pH roztworu buforowego zawierającego 5,00 mmol H CO i 1,00 mmol NaHCO w 250 cm3
2 3 3
roztworu. (pK = 6,35; pK = 10,32; pK = 14,00)
a1 a2 w
8. Obliczyć pH roztworu buforowego zawierającego 1,00 mmol NaH PO i 5,00 mmol Na HPO w 50,0
2 4 2 4
cm3 roztworu. (pK = 2,15; pK = 7,18; pK = 12,38; pK = 14,00)
a1 a2 a3 w
9. Obliczyć liczność stałego NaOH [mmol] konieczną do przygotowania roztworu buforowego o pH = 4,00
z 50,0 cm3 0,25 M CH COOH. (pK = 4,79; pK = 14,00)
3 a w
10. Obliczyć liczność gazowego HCl [mmol] konieczną do przygotowania roztworu buforowego o pH = 4,00
z 50,0 cm3 0,25 M CH COONa. (pK = 4,79; pK = 14,00)
3 a w
11. Obliczyć liczność gazowego HCl [mmol] konieczną do przygotowania roztworu buforowego o pH = 9,00
z 50,0 cm3 0,25 M NH .H O (pK = 4,75; pK = 14,00)
3 2 b w
12. Obliczyć liczność gazowego NH [mmol] konieczną do przygotowania roztworu buforowego o pH = 9,45
3
z 50,0 cm3 0,25 M HCl. (pK = 4,75; pK = 14,00)
b w
13. Obliczyć liczność stałego NaOH [mmol] konieczną do przygotowania roztworu buforowego o pH = 8,50
z 50,0 cm3 0,25 M NaH PO . (pK = 2,15; pK = 7,18; pK = 12,38; pK = 14,00)
2 4 a1 a2 a3 w
9
14. Do roztworu zawierajÄ…cego 5,00 mmol CH COOH i 4,00 mmol CH COONa w 25,0 cm3 roztworu
3 3
wprowadzono 1,00 mmol stałego NaOH. Jak zmieni się pH roztworu buforowego? Jaka jest pojemność
tego roztworu buforowego w stosunku do NaOH? (pK = 4,79; pK = 14,00)
a w
15. Do roztworu zawierajÄ…cego 5,00 mmol CH COOH i 4,00 mmol CH COONa w 25,0 cm3 roztworu
3 3
wprowadzono 1,00 mmol gazowego HCl. Jak zmieni się pH roztworu buforowego? Jaka jest pojemność
tego roztworu buforowego w stosunku do HCl? (pK = 4,79; pK = 14,00)
a w
16. Do roztworu zawierajÄ…cego 5,00 mmol NH .H O i 4,00 mmol NH Cl w 25,0 cm3 roztworu wprowadzono
3 2 4
1,00 mmol gazowego HCl. Jak zmieni się pH roztworu buforowego? Jaka jest pojemność tego roztworu
buforowego w stosunku do HCl? (pK = 4,75; pK = 14,00)
b w
17. Do roztworu zawierajÄ…cego 5,00 mmol NH .H O i 4,00 mmol NH Cl w 25,0 cm3 roztworu wprowadzono
3 2 4
1,00 mmol stałego NaOH. Jak zmieni się pH roztworu buforowego? Jaka jest pojemność tego roztworu
buforowego w stosunku do NaOH? (pK = 4,75; pK = 14,00)
b w
18. Obliczyć liczność [mmol] stałego NaOH, którą trzeba dodać do 50,0 cm3 0,20 M CH COOH i 0,25 M
3
CH COONa, aby spowodować zmianę pH tego roztworu o 0,20 jednostki pH. (pK = 4,79; pK = 14,00)
3 a w
19. Obliczyć liczność [mmol] stałego NaOH, którą trzeba dodać do 50,0 cm3 0,20 M NH .H O i 0,25 M
3 2
NH Cl, aby spowodować zmianę pH tego roztworu o 0,20 jednostki pH. (pK = 4,75; pK = 14,00)
4 b w
20. Obliczyć liczność [mmol] stałego NaOH, którą trzeba dodać do 50,0 cm3 0,20 M CH COOH i 0,25 M
3
CH COONa, aby spowodować zmianę pH tego roztworu o 0,20 jednostki pH. (pK = 4,79; pK = 14,00)
3 a w
21. Obliczyć liczność [mmol] stałego NaOH, którą trzeba dodać do 50,0 cm3 0,20 M NaH PO i 0,25 M
2 4
Na HPO , aby spowodować zmianę pH tego roztworu o 0,20 jednostki pH. (pK = 2,15; pK = 7,18;
2 4 a1 a2
pK = 12,38; pK = 14,00)
a3 w
22. Obliczyć liczność gazowego HCl [mmol], którą należy dodać do do 50,0 cm3 0,10 M Na CO i 0,25 M
2 3
NaHCO , aby spowodować zmianę pH tego roztworu o 0,20 jednostki pH. (pK = 6,35; pK = 10,32;
3 a1 a2
pK = 14,00)
w
WYKONANIE DOÅšWIADCZEC

Doświadczenie 1. Wyznaczanie pojemności buforowej roztworu buforowego (HA/A-;
BOH/B+
)
Odczynniki: 0,20 M chlorek amonu (NH Cl); 0,20 M wodorotlenek amonu (NH OH); 0,20 M
4 4
octan sodu (CH COONa); 0,20 M kwas octowy (CH COOH); 0,25 M kwas solny
3 3
(HCl); 0,25 M wodorotlenek sodu (NaOH); wzorcowe roztwory buforowe
Sprzęt: pehametr; elektroda zintegrowana; zlewka 50 cm3; pipeta miarowa 1,00 cm3
Przed przystÄ…pieniem do wykonania doÅ›wiadczenia należy zapoznać siÄ™ z instrukcjÄ… obsÅ‚u­
gi pehametru oraz przeprowadzić (w razie potrzeby) jego kalibrację stosując dostępne wzorcowe
roztwory buforowe. Przygotować 40 cm3 buforu octanowego (amonowego), w którym stężenia obu
składników są jednakowe i wynoszą 0,10 mol/dm3. Zmierzyć i zapisać w dzienniku laboratoryjnym
pH przygotowanego roztworu. Otrzymany roztwór podzielić na dwie równe części. Do jednej z
nich dodawać 0,25 M HCl porcjami po 1,0 cm3, mierzÄ…c pH po dodaniu każdej kolejnej porcji (roz­
twór należy dokładnie wymieszać przed odczytem pH). Dodawanie 0,25 M HCl kontynuować do
chwili, gdy zmiana pH wyniesie 2,0 jednostki. Do drugiej części roztworu buforowego dodawać
0,25 M NaOH porcjami po 1,0 cm3, dokonujÄ…c pomiaru pH po dodaniu każdej kolejnej porcji zasa­
dy. Przerwać dodawanie 0,25 M NaOH w chwili, gdy zmiana pH wyniesie 2,0 jednostki. Po za­
kończeniu każdej serii pomiarów dokładnie przemyć elektrodę zintegrowaną wodą destylowaną i
umieścić w kolbie (zlewce) przeznaczonej do jej przechowywania. Jeżeli wskazania pehametru po
przemyciu elektrody wodą destylowaną przewyższają 8,0, to zaleca się zanurzenie elektrody w
10
roztworze buforu octanowego (0,10 M CH COOH / 0,10 M CH COONa) na okoÅ‚o 5 minut i ponow­
3 3
ne przemycie jej wodÄ… destylowanÄ….

wyniki pomiarów przedstawić w formie tabeli,

obliczyć wartości pH roztworu buforowego po dodaniu kolejnych porcji 0,25 M HCl i
0,25 M NaOH (pK = 4,75; pK = 4,76; pK = 14,00), a wyniki obliczeń umieścić w
a b w
tabeli,

sporządzić wykres zależności pH roztworu buforowego w funkcji objętości dodanego
roztworu 0,25 M HCl i 0,25 M NaOH oraz obliczyć pojemność badanego roztworu
buforowego w [mol] przyjmując, że objętość V = 20,0 cm3
buf
Lp V (V ) [cm3] n (n ) V [cm3] C (C ) C [mol/dm3] pH pH
HCl NaOH HCl NaOH r-r a b s obl pom
[mmol] [mol/dm3]
0 0 0 20,0
Doświadczenie 2. Wpływ rozcieńczania na pH roztworu buforowego
Odczynniki: 0,20 M chlorek amonu (NH Cl); 0,20 M wodorotlenek amonu (NH OH); 0,20 M
4 4
octan sodu (CH COONa); 0,20 M kwas octowy (CH COOH); wzorcowe roztwory
3 3
buforowe
Sprzęt: pehametr; elektroda zintegrowana; zlewka 250 cm3; zlewka 50 cm3; cylinder
miarowy 50 cm3, pipeta wielomiarowa 10 cm3
Przed przystÄ…pieniem do wykonania doÅ›wiadczenia należy przeprowadzić (w razie po­
trzeby) kalibrację pehametru stosując dostępne wzorcowe roztwory buforowe. Przygotować 20
cm3 buforu octanowego (amonowego), w którym stężenia obu skÅ‚adników sÄ… jednakowe i wyno­
szą 0,10 mol/dm3. Zmierzyć i zapisać w dzienniku laboratoryjnym pH przygotowanego roztworu.
Zmierzyć wpływ rozcieńczenia na pH roztworu buforowego, rozcieńczając przygotowany roztwór
buforowy wodÄ… destylowanÄ…: 2­, 5­, 10­, 100­ i 1000­krotnie. Roztwory otrzymane w wyniku roz­
cieńczenia należy bardzo dokładnie wymieszać przed wykonaniem pomiaru pH.

wyniki pomiarów umieścić w tabeli i porównać z wartościami pH obliczonymi dla serii
rozcieńczanych roztworów buforowych przyjmując: pK = 4,75; pK = 4,76; pK =
a b w
14,00
11
Lp V [cm3] V [cm3] Rozcieńczenie C (C ) C [mol/dm3] pH pH
pocz końc a b s obl pom
[mol/dm3]
0 20,0 20,0 1,00
1 20,0 40,0 2,00
2 5,00
3 10,0
4 100
5 1000
Doświadczenie 3. Wpływ dodanego roztworu HCl i NaOH na pH roztworu Na SO
2 4
Odczynniki: 0,10 M siarczan(VI) sodu (Na SO ); 0,25 M kwas solny (HCl); 0,25 M
2 4
wodorotlenek sodu (NaOH); wzorcowe roztwory buforowe
Sprzęt: pehametr; elektroda zintegrowana; zlewka 50 cm3; pipeta miarowa 1,00 cm3
Przed przystÄ…pieniem do wykonania doÅ›wiadczenia należy przeprowadzić (w razie po­
trzeby) kalibrację pehametru stosując dostępne wzorcowe roztwory buforowe. Do dwóch zlewek o
pojemności 50 cm3 odmierzyć po 20 cm3 0,10 M Na SO i zmierzyć pH tego roztworu. Do jednego
2 4
z roztworów Na SO dodawać 0,25 M HCl porcjami po 1,0 cm3, mierząc pH po dodaniu każdej
2 4
kolejnej porcji (roztwór należy dokładnie wymieszać przed odczytem pH). Dodawanie 0,25 M HCl
kontynuować do chwili, gdy zmiana pH wyniesie 4,0 jednostki. Do drugiego roztworu Na SO do­
2 4
dawać 0,25 M NaOH porcjami po 1,0 cm3, dokonujÄ…c pomiaru pH po dodaniu każdej kolejnej por­
cji zasady. Przerwać dodawanie 0,25 M NaOH w chwili, gdy zmiana pH wyniesie 4,0 jednostki. Po
zakończeniu każdej serii pomiarów dokładnie przemyć elektrodę zintegrowaną wodą destylowaną
i umieścić w kolbie (zlewce) przeznaczonej do jej przechowywania. Jeżeli wskazania pehametru
po przemyciu elektrody wodą destylowaną przewyższają 8,0, to zaleca się zanurzenie elektrody w
roztworze buforu octanowego (0,10 M CH COOH / 0,10 M CH COONa) na okoÅ‚o 5 minut i ponow­
3 3
ne przemycie jej wodÄ… destylowanÄ….

sporządzić wykres zależności pH roztworu Na SO w funkcji objętości dodanego roz
2 4
tworu 0,25 M HCl i 0,25 M NaOH oraz porównać otrzymany wynik z zachowaniem
roztworu buforowego w Doświadczeniu 1.
12