Bufor (chemia)

Z Wikipedii

Masz nowe wiadomości (różnica z poprzednią wersją).

Bufory - roztwory, których wartość pH po dodaniu niewielkich ilości mocnych kwasów albo zasad, jak i po rozcieńczeniu wodą prawie się nie zmienia. Roztworami buforowymi są roztwory słabych kwasów oraz ich soli z mocną zasadą, albo słabych zasad i ich odpowiednich soli o zbliżonych stężeniach. Rolę mieszanin buforowych spełniają również roztwory wodorosoli np. NaHCO₃, NaH₂PO₄ lub Na₂HPO₄.

Spis treści

1 Mechanizm działania buforów
2 Pojemność buforowa
- 2.1 Definicja
- 2.2 Wzór van Slyke'a
3 Zastosowania i rodzaje buforów

[edytuj] Mechanizm działania buforów

Mechanizm działania buforu najłatwiej jest prześledzić na przykładzie układu słabego kwasu i komplementarnej do niego soli. W tym przypadku głównym źródłem silnej zasady (A-) nie jest słabo dysocjujący kwas lecz mocno zdysocjowana sól (XA):

XA ↔ X⁺(aq) + A^-(aq) (1)

Niezależnie od wyjściowych składników bufora, po ich rozpuszczeniu w wodzie i częściowej dysocjacji tworzy się równowaga słabego kwasu (HA) i sprzężonej z nim mocnej zasady (A-):

HA(aq) + H₂O ↔ H₃O⁺(aq) + A^-(aq) (2)

która jest odpowiedzialna za odporność buforu na zmiany pH.

Ze względu na dużą ilość jonów A^- dostarczanych w reakcji (1) przez sól, równowaga opisana równaniem (2) jest bardzo silnie przesunięta w stronę kwasu (HA). Można powiedzieć, że w tego rodzaju buforze niemal cała ilość jonów A^- pochodzi z soli, zaś słaby kwas (HA) pozostaje w roztworze w formie prawie nie zdysocjowanej. Zadaniem soli jest więc w sumie blokowanie dysocjacji słabego kwasu.

W momencie dodania do roztworu buforowego silnej zasady, reaguje ona z jonami hydroniowymi (H₃O⁺(aq)), które jednak są natychmiast regenerowane przez dysocjację kwasu (HA), którą uruchamia właśnie fakt znikania jonów hydroniowych w równowadze opisanej równaniem (2). W momencie dodania silnego kwasu, silna zasada sprzężona (A-), która występuje cały czas w dużym stężeniu po prostu reaguje z tym kwasem i w rezultacie pH całego układu się nie zmienia.

[edytuj] Pojemność buforowa

Naturalnie, cały układ buforujący nie jest skuteczny w nieskończoność. Każdy bufor posiada swoją pojemność, zwaną pojemnością buforową β, która jest warunkowana stałą równowagi głównej reakcji buforowej, oraz stężeniem czynnika słabo dysocjującego. Np: jeśli do roztworu bufora złożonego ze słabego kwasu i jego soli, dodamy tyle silnej zasady, że spowoduje ona całkowitą dysocjację słabego kwasu (HA), w reakcji (2) to dalsze dodawanie tej zasady spowoduje już taką zmianę pH jaka by następowała bez obecności bufora.

[edytuj] Definicja

Pojemność buforowa zdefiniowana jest jako:

$\beta = \left|\frac{d n}{d pH}\right| \approx \left|\frac{\Delta n}{\Delta pH}\right|$

gdzie:

Δn - ilość moli dodanego mocnego kwasu lub zasady (w praktyce podaje się dla 1 dm³ bufora, (Δn/V))
ΔpH - zmiana pH wywołana dodaniem tej ilości kwasu lub zasady

Pojemność buforowa (jej wartość jest zależna od pH) określa więc wrażliwość określonej ilości roztworu na dodawanie mocnego kwasu lub zasady, np. zmiana pH o 0,01 w wyniku dodania 0,006 mola kwasu lub zasady oznacza β=0,6 mol.

[edytuj] Wzór van Slyke'a

Wzór van Slyke'a pozwala obliczyć pojemność buforową β jako funkcję pH roztworu, dla układu typu: HA + A^- (łącznie z obszarem nadmiaru mocnego kwasu lub nadmiaru mocnej zasady):

$\beta = \ln 10 \left(C \frac{[H^{+}]\cdot K_{a}}{\left( [H^{+}] + K_{a}\right)^{2}} + [H^{+}] + [OH^{-}]\right)$

gdzie:

$C = [H A] + [A -]$ - łączne stężenie słabego kwasu i jego soli
$K a$ - stała dysocjacji kwasu HA
$\ln 10 \approx 2,303$

Największa pojemność buforowa pojawia się w obszarze buforowym dla pH = pK_a oraz dla duzych nadmiarów mocnego kwasu lub zasady (daleko poza obszarem buforowym).

Uproszczony wzór van Slyke'a pozwala obliczyć pojemność buforową β jako funkcję pH roztworu, dla układu typu: HA + A^- (tylko w obszarze bufora w pobliżu pK_a, bez obszaru nadmiaru mocnego kwasu lub nadmiaru mocnej zasady):

$\beta = \ln 10 \cdot C \frac{[H^{+}]\cdot K_{a}}{\left( [H^{+}] + K_{a}\right)^{2}}$

[edytuj] Zastosowania i rodzaje buforów

Roztwory buforowe służą do utrzymania stosunkowo stałego odczynu roztworów. Stosuje się je do wielu przemysłowych procesów, wymagających utrzymywania w miarę stałego pH - np: przy produkcji barwników, leków syntetycznych oraz w procesach fermentacyjnych, a także w poligrafii, przy druku w technice offsetowej. Wiele buforów jest też stosowanych do kontrolowania pH gotowych produktów spożywczych, kosmetyków i leków. Niektóre bufory (np: boranowy) są same stosowane jako substancje lecznicze - np: do przemywania poparzonej skóry lub oczu.

Do najważniejszych buforów należą:

bufor octanowy: CH₃COOH, CH₃COONa w zakresie pH = 3,5 - 6
bufor amonowy: NH₃* H₂O, NH₄Cl w zakresie pH = 8 - 11
bufor fosforanowy: KH₂PO4, K₂HPO₄ w zakresie pH = 5,5 - 8
bufor boranowy: H₃BO₃, Na₂B₄O₇ w zakresie pH = 7 - 9

Bufory utrzymują ściśle określone pH ustroju wszystkich organizmów, którego zachwianie może spowodować śmierć organizmu. Bufory krwi człowieka utrzymują pH w granicach: 7.35-7.45.

W organizmach ludzkich znaczącą rolę pełnią bufory: