УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13/2004

§ 7.4. Буферные растворы

Вам часто в практической научной работе придется иметь дело с растворами с определенным значением рН, сохраняющимся постоянным при разбавлении раствора и при добавлении в него кислоты или щелочи. Это и будут буферные растворы. Почему рН крови человека и океанской воды постоянны? Потому что это буферные растворы!
А разве вам не попадалось выражение «буферное действие», когда шла речь о деятельности отдельных лиц, организаций и даже целых государств по сглаживанию конфликтов в частной и общественной жизни или в межгосударственных отношениях?

Способность раствора поддерживать определенное значение рН называется буферным действием, а растворы, обладающие таким свойством, называются буферными.

Посмотрите на кривую титрования кислоты (см. №3/2004, с. 11). Горизонтальные участки на этой кривой свидетельствуют о незначительном изменении рН раствора в начальный и конечный моменты титрования. Такое изменение рН раствора в начале титрования объясняется тем, что в растворе кислота находится в большом избытке по отношению к количеству прибавленной щелочи, а подобное изменение рН раствора в конце титрования объясняется аналогично.

Буферное действие раствора измеряется буферной емкостью, т.е. тем количеством щелочи или кислоты, которое требуется прибавить к 1 л раствора, чтобы значение его рН изменилось на единицу.

При титровании сильной кислоты сильным основанием буферное действие раствора проявляется только при очень низких и очень высоких значениях рН. Наименьшую буферную емкость имеет раствор в точке эквивалентности. К такому раствору достаточно добавить одну каплю раствора кислоты или щелочи, чтобы рН раствора скачкообразно изменился. Однако в химической практике часто возникает необходимость иметь растворы с устойчивым значением рН, близким к нейтральному.

Важным свойством буферных растворов является их способность сохранять постоянное значение рН при разбавлении раствора. Растворы кислот и оснований не могут называться буферными растворами, т.к. при разбавлении их водой рН раствора изменяется. Если 0,1М раствор соляной кислоты разбавили водой в 10 раз, то как изменился рН раствора?
Наиболее эффективные буферные растворы готовят из растворов слабой кислоты и ее соли или слабого основания и его соли. Ацетатный буферный раствор представляет собой раствор уксусной кислоты СН₃СООН и ацетата натрия NаСН₃СОО. Аммиачный буферный раствор представляет собой раствор гидроксида аммония NH₄OH и хлорида аммония NH₄Cl.
Буферное действие подобных растворов основано на следующих процессах. Если к ацетатному буферному раствору [СН₃СООН + NаСН₃СОО] прибавить в пределах буферной емкости раствор щелочи (NaOH или КОН), то будет происходить нейтрализация гидроксида слабой кислотой:

СН₃СООН + ОН^– = СН₃СОО^– + Н₂О.

При добавлении к ацетатному буферному раствору сильной кислоты ионы водорода связываются анионами слабой кислоты, образующейся при диссоциации соли:

Н⁺ + СН₃СОО^– = СН₃СООН.

Таким образом, в результате связывания гидроксид-ионов или ионов водорода, возникающих при добавлении сильного основания или сильной кислоты, рН буферного раствора практически не изменяется. Так, при добавлении в 1 л 0,1М ацетатного буферного раствора, а для сравнения и в воду 0,01 моль соляной кислоты или гидроксида натрия рН растворов принимает значения, приведенные ниже.

Из этих данных видно, что при добавлении кислоты или щелочи к воде рН полученного раствора изменяется на пять единиц, а добавление такого же количества кислоты или щелочи в ацетатный буферный раствор изменяет рН в пределах 0,1 единицы.
Аналогично действие аммиачного (аммиачно-аммонийного) буферного раствора [NH₄OH + NH₄Cl] при введении кислоты или щелочи, обусловленное протеканием следующих процессов:

NH₄OH + Н⁺ = + Н₂О,

+ ОН^- = NH₄OH.

Как рассчитать рН буферного раствора, вы знаете: вспомните о смещении равновесия диссоциации уксусной кислоты одноименным ионом – добавлением в раствор ацетата натрия. Именно тогда вы получили буферный раствор!
Буферные растворы могут быть приготовлены также из кислоты и ее кислотной соли, из двух кислотных солей, а также из соли, подвергающейся гидролизу, и другой кислотной соли. К таким буферным растворам относятся растворы фосфорной кислоты и ее солей:

[Н3РО4 + NaН2РО4],	рН < 7;
[NaН2РО4 + Na2НРО4],	рН 7;
[Na2НРО4 + Na3РО4],	рН > 7.

Буферные растворы – фосфатный [ + ] и карбонатный [  + ] – имеют большое значение для обеспечения жизнедеятельности организмов, т.к. они поддерживают постоянство рН физиологических жидкостей. Кроме этих буферных растворов рН крови и других жидкостей организма сохраняется постоянным благодаря белкам и гемоглобину. У человека рН крови равен 7,35–7,45. На 75% буферная емкость крови обусловлена гемоглобином. Она настолько велика, что требуется в 50 раз больше сильной кислоты или щелочи, чтобы изменить рН на ту же величину по сравнению с водой.

Список новых и забытых понятий и слов

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Объясните утверждение, встретившееся в одной из книг: «Буферные растворы существуют благодаря гидролизу».

2. При введении щелочи (гидроксид-ионов) в раствор сильной кислоты рН раствора в начале нейтрализации почти не изменяется. То же происходит при введении кислоты (ионов водорода) в раствор щелочи. Тем не менее растворы сильной кислоты и сильного основания не называют буферными. Почему?

3. Если вы будете заниматься научной работой, даже в области гуманитарных наук вам придется иметь дело с таблицами. Таблица представляет собой сжатую сводку данных, собранных из литературных источников или из результатов собственного исследования. Сопоставляя и сравнивая числовые данные соседних столбцов и строк таблицы, вы сможете найти закономерности и противоречия в характере изменения числовых данных и из этого сформулировать новые выводы и даже создать новую теорию. Поэтому отнеситесь очень серьезно к этой задаче.
Для того чтобы хорошо усвоить представления о буферных растворах, изучите предлагаемые ниже в таблице данные, в которых приведены значения рН 0,1М растворов хлороводородной кислоты, гидроксида натрия, ацетатного и аммиачного буферных растворов, а также значения рН после 10-кратного их разбавления.

Таблица

Объясните, почему растворы хлороводородной кислоты и гидроксида натрия нельзя считать буферными. Предложите новое определение буферного раствора.

4. Буферные системы играют огромную роль в жизни на Земле. Они могут включать и газовые, и кристаллические компоненты. Назовите хотя бы одну земную глобальную буферную систему, ответственную за поддержание жизни на Земле.

5. Воспользовавшись общими представлениями теории буферных систем, выскажите свои предположения о причинах постоянства концентраций кислорода и углекислого газа в атмосфере Земли.

6. Океанская вода ведет себя как буферный раствор при поступлении в нее кислотных или щелочных вод. Опишите процессы, ответственные за буферное действие океанской воды, учитывая, что над водой в воздухе содержится диоксид углерода, а в морских осадках имеется карбонат кальция.

7. Вы, наверное, знакомы с понятием «обратная связь», когда усиление одной характеристики процесса приводит к ослаблению другой, тем самым сохраняется равновесие между объектами системы. Постарайтесь кратко описать буферное действие системы с точки зрения обратной связи.
Познакомьтесь также по литературным источникам с понятием «прямая связь».
Приведите примеры (природа, жизнь общества, технологии) проявления прямой и обратной связей.

8. Воспользовавшись представлениями теории буферных систем, обсудите причины и приемы поддержания постоянным валютного состояния развитой страны и инфляции в неразвитой стране.

9. Переведите на русский язык.

A buffer solution, or a solution of reserve acidity or alkalinity, is one which maintains a fairly constant pH, even when small amounts of acid or alkali are added to it. Water, or simple aqueous solutions, do not maintain their pH value at all well because of the market effect of impurities such as dissolved carbon dioxide absorbed from the air or silicates dissolved from a glass vessel.
Acid buffer solutions can be made by mixing a weak acid with a salt of the same weak acid; alkaline buffer solutions, by mixing a weak base with a salt of the weak base. A simple acid buffer solution can be made from acetic acid and sodium acetate. Sodium acetate is fully ionized, it produces suppress the ionization of the acetic acid so that the mixture contains more acetic acid molecules and more acetate ions than acetic acid alone.
The excess acetate ions react with any H⁺ ions which might be added, whilst the excess acetic acid molecules react with any added OH^- ions. Additions of small amounts of acid or alkali to the buffer solution of sodium acetate and acetic acid do not, therefore, greatly affect the pH of the mixture.
It is so useful to be able to make, and keep, solutions with more-or-less constant pH that many buffer solution mixtures are marketed. Typical mixtures used include phthalic acid and potassium acid phthalate, sodium dihydrogen phosphate (as the weak acid) and disodium hydrogen phosphate (as the salt), and boric acid and borax (sodium borate). There are also many proprietary mixtures.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Исследование ацетатного буферного раствора.

Воспользуйтесь приготовленным учителем ацетатным буферным раствором с концентрациями компонентов по 0,1 моль/л. Налейте в пробирку 1–2 мл исследуемого буферного раствора и определите его рН.
Налейте в каждую из шести пробирок по возможности одинаковые объемы (по 1–2 мл) воды, растворов соляной кислоты, гидроксида натрия, уксусной кислоты, ацетата натрия и ацетатного буферного раствора (все растворы 0,1М). В каждую пробирку внесите по 2–3 капли универсального индикатора, запишите цвет раствора и его рН.
В каждую пробирку по каплям, считая их число, добавляйте 1М раствор соляной кислоты. После добавления каждой капли кислоты записывайте цвет раствора и его рН. Сколько капель кислоты понадобилось прибавить в каждую пробирку для изменения рН? Сравните буферные емкости всех растворов.
Самостоятельно продумайте, как узнать о влиянии разбавления водой на рН растворов. Проделайте все эти опыты и сформулируйте выводы. По полученным результатам предложите определение понятия «буферный раствор».

2. Исследование аммиачного буферного раствора.

Воспользуйтесь приготовленным учителем аммиачным (аммонийно-аммиачным) буферным раствором с концентрациями компонентов по 0,1 моль/л. Налейте в пробирку 1–2 мл исследуемого буферного раствора и определите его рН.
Налейте в каждую из шести пробирок по возможности одинаковые объемы (по 1–2 мл) воды, растворов соляной кислоты, гидроксида натрия, гидроксида аммония, хлорида аммония и аммиачного буферного раствора (все растворы 0,1М). В каждую пробирку внесите по 2–3 капли универсального индикатора, запишите цвет раствора и его рН.
В каждую пробирку по каплям, считая их число, добавляйте 1М раствор соляной кислоты. После добавления каждой капли кислоты записывайте цвет раствора и его рН. Сколько капель кислоты понадобилось прибавить в каждую пробирку для изменения рН? Сравните буферные емкости всех растворов.
Самостоятельно продумайте, как узнать о влиянии разбавления водой на рН растворов. Проделайте все эти опыты и сформулируйте выводы. По полученным результатам предложите определение понятия «буферный раствор».

3. Исследования карбонатного и фосфатных буферных растворов.

Предлагаемые эксперименты имеют творческий характер и выполняются самостоятельно. Исследуйте свойства карбонатного и фосфатных буферных растворов (0,1М – концентрация по каждому компоненту), важнейших для жизни природы:

Вам следует доказать, что эти растворы проявляют буферные свойства при действии растворов кислот и щелочей и при разбавлении. Каждая небольшая группа учеников (2–4 человека) выполняет указанный учителем вариант исследования.

4. Исследование раствора ацетата аммония.

Можно ли считать буферным раствор NН₄СН₃СОО? Эта соль диссоциирует на ионы:

NН₄СН₃СОО = + СН₃СОО^–.

При введении в раствор кислоты ее ионы водорода будут связываться по реакции:

СН₃СОО^– + Н⁺ = СН₃СООН.

При введении в раствор ацетата аммония щелочи будет проходить реакция:

+ ОН^– = NН₄ОН.

Казалось бы, раствор должен обладать буферным действием. Проверьте это предположение, самостоятельно разработав план исследования. Работать можно небольшой группой (2–4 ученика).