Ecuația Henderson-Hasselbach - o expresie matematică care caracterizează capacitățile sistemului tampon. Ecuația arată cum echilibrul acido-bazic al unei soluții tampon depinde de proprietățile componentelor sistemului tampon acido-bazic și de raportul cantitativ al acestor componente din soluție. Un indicator al echilibrului acido-bazic într-o soluție este pH-ul, pH-ul. Proprietatea unui acid (abilitatea sa de a se descompune în ioni), ca componentă a unui sistem tampon, este caracterizată de valoarea constantei de echilibru, constanta de disociere a acidului, Ka. pK= – lgK D

Structura (compoziția) cantitativă a sistemului tampon poate fi estimată ca raport sare/acid. Având în vedere cele de mai sus, ecuația Henderson-Hasselbach arată astfel:

pH = pK + log

Valoarea pH-ului și pOH este afectată de constanta de disociere și raportul dintre concentrațiile componentelor.

18. Rezervor tampon. Zona tampon.

Interval pH=pKa±1 numit zona tampon .

Capacitate tampon (V) exprimat ca numărul de echivalenți molar ai unui acid sau a unei baze puternice care trebuie adăugat la un litru de tampon pentru a modifica pH-ul cu unul.

B - capacitatea tampon,

nE este echivalentul molar al unui acid puternic sau alcalin,

ΔрН este modificarea pH-ului.

În practică, capacitatea tampon este calculată prin formula:

V este volumul de acid sau alcali,

N este concentrația echivalentă de acid sau alcali,

V buffer - volumul soluției tampon,

Δ pH este modificarea pH-ului.

Capacitatea tampon depinde de concentrații de electrolițiși rapoarte tampon.

19. Determinarea cantitativă a capacității tampon.

Cantitatea de acid sau alcali care trebuie adăugată la 1 litru de soluție tampon, astfel încât valoarea pH-ului să se modifice cu unu, se numește capacitate tampon

Cu cât mai sus concentrația inițială amestecul tampon, cu atât capacitatea acestuia este mai mare

20. Sisteme tampon ale sângelui: bicarbonat, fosfat, hemoglobină și proteine

tampon de hemoglobină Reprezintă 35% din capacitatea tampon.

Principalul sistem tampon al eritrocitelor, care reprezintă aproximativ 75% din capacitatea totală tampon a sângelui. Sistemul tampon al hemoglobinei din sânge joacă un rol semnificativ în: respirație, transportul oxigenului către țesuturi și în menținerea unui pH constant al sângelui.

Este reprezentat de doi acizi slabi - hemoglobina si oxihemoglobina si bazele lor conjugate - ioni de hemoglobinat si respectiv oxihemoglobinat:

HHb ↔ H ++ + Hb -

HHbO 2 ↔ H + HbO 2 -

Fosfat tampon

Se găsește atât în ​​sânge, cât și în lichidul celular al altor țesuturi, în special în rinichi. În celule, este reprezentată de săruri

K 2 NRO 4și KN 2 RO 4și în plasma sanguină și lichidul intercelular

Na2HPO4și NaH2PO4.

Funcționează în principal în plasmă și include: ion dihidrofosfat și ion hidrogen fosfat

H 2 RO 4 -și NRO 4 2-

Acest sistem joacă un rol crucial în mediile biologice − în celulă, în sucurile glandelor digestive, în urină.

tampon bicarbonat . Reprezintă 53% din capacitatea tampon.

Prezentat:

H2CO3și NaHC03

Tamponul bicarbonat este principalul sistem tampon din plasma sanguină; este un sistem de răspuns rapid, deoarece produsul interacțiunii sale cu acizii CO 2 este rapid excretat prin plămâni.

Tampon proteic Este 5% din capacitatea tampon.

Constă dintr-un acid-protein și sarea sa formată dintr-o bază puternică.

Pt - COOH - proteina-acid

Pt - COONa - proteine-sare

1. Atunci când în organism se formează acizi puternici, aceștia interacționează cu sarea proteinei.

HC1 + Pt-COONa ↔ Pt-COOH + NaCl.

2. Cu o creștere a produselor alcaline, aceștia interacționează cu Pt-COOH:

NaOH + Pt-COOH ↔ Pt-COONa + H2O

Proteina este un electrolit amfoter și, prin urmare, prezintă propria sa acțiune de tamponare.

Soluția tampon este un reactiv chimic cu o constantăpH

Sticla de laborator, echipamentele de laborator, instrumentele și substanțele chimice sunt cele patru componente principale ale oricărui laborator modern, indiferent de specializarea acestuia. În funcție de scop, produsele de laborator - sticlărie, echipamente, instrumente sunt realizate din diverse materiale: plastic, porțelan, cuarț, borosilicat, sticlă de laborator etc. E doar o chestiune de preț și calitate. Reactivii chimici ocupă un loc special în lista echipamentelor de laborator - fără ei este imposibil să se efectueze chiar și cea mai simplă analiză, cercetare, experiment.

În practica muncii de laborator, angajații întâlnesc adesea soluții chimice care au sau ar trebui să aibă o anumită valoare a pH-ului. În aceste scopuri se fac soluții tampon speciale.

Care este aceasta solutie?

Soluții tampon - reactivi chimici cu un anumit indicator stabil al concentrației ionilor de hidrogen; un amestec de acid slab concentrat și sarea acestuia. Aceste soluții practic nu își schimbă structura atunci când sunt concentrate, diluate cu alți reactivi chimici sau când li se adaugă alcalii sau acizi foarte concentrați în cantitate mică. Pentru a obține o soluție tampon cu un pH diferit, este necesar să se modifice concentrația și raportul soluțiilor chimice utilizate.

Acest reactiv chimic este capabil să mențină un anumit pH la un anumit nivel, în funcție de cantitatea specifică de medii agresive, alcalii și acizi. Fiecare amestec tampon are o anumită capacitate tampon - raportul echivalent al numărului de elemente alcaline și acide.

Din păcate, acizii și alcaliile în sine nu pot fi atribuite amestecurilor tampon, deoarece atunci când sunt diluate cu apă, nivelul pH-ului acestor medii agresive se modifică.

În practica de laborator, este de asemenea aplicabil un amestec tampon de calibrare. Este conceput pentru a ajusta acuratețea indicatorilor instrumentelor care sunt utilizate pentru a determina nivelul de acid din substanțele lichide - activitatea ionilor de hidrogen în diferite medii.

Pentru lucrul atât în ​​condiții de laborator, cât și în practică privată, se recomandă utilizarea amestecurilor tampon de mare stabilitate preparate în laboratoare specializate folosind sticlă de laborator pe echipamente și instrumente speciale de laborator. Auto-prepararea acestui reactiv chimic poate fi obținută cu o eroare mare.

Care este soluția tampon?

Compoziția acestui reactiv chimic include apă - un solvent și în egală măsură ionii dizolvați sau moleculele de substanțe care alcătuiesc un sistem tampon acido-bazic sau alcalino-acid. Sistemul tampon este interacțiunea unui acid slab concentrat cu una dintre sărurile sale.

Astfel de reactivi chimici, împreună cu echipamentele și instrumentele moderne de laborator, sunt utilizați pe scară largă în cercetarea în chimie analitică, biologie și microbiologie, genetică, medicină, produse farmaceutice, centre de cercetare și alte domenii științifice.

Importanța soluției tampon pentru oameni

Amestecul tampon natural este, de asemenea, foarte important pentru funcționarea normală a organismului, deoarece menține un nivel constant al pH-ului în fluidele biologice ale țesuturilor, organelor, limfei și sângelui.

Conditii de depozitare

Depozitați acest reactiv chimic într-un recipient închis ermetic (sticle de sticlă sau de plastic).

De unde să cumpărați echipamente de laborator de înaltă calitate la un preț accesibil?

Este avantajos să cumpărați produse chimice, instrumente, echipamente, sticlă de laborator la Moscova într-un magazin specializat modern de reactivi chimici Moscova, cu amănuntul și en-gros "Prime Chemicals Group". Aici veți găsi o gamă largă de produse de înaltă calitate de la mărci cunoscute la prețuri accesibile. De asemenea, oferim livrare în oraș și regiune.

„Prime Chemicals Group” - echipamente de laborator de la mănuși de examinare la cântare electronice de laborator cu marcă de calitate.

O soluție tampon este utilizată pentru a menține o valoare constantă a pH-ului. Constă dintr-un amestec de acid slab HA și baza conjugată A - . Echilibrele coexistă într-o soluție tampon:

ON + H 2 O ↔ H 3 O + + A -

A - + H 2 O ↔ HA + OH -

suprimarea reciprocă la C(HA) și C(A-) suficient de mari; prin urmare, putem presupune că [HA] \u003d C (HA) și [A - ] \u003d C (A -). Folosind expresia for K a ON iar neglijând aportul de [H 3 O + ] datorită disocierii apei, obținem

Aceeași expresie poate fi obținută folosind a doua constantă de echilibru.

EXEMPLUL 16. Calculați pH-ul unei soluții tampon constând din acid acetic 0,10 M și acetat de sodiu 0,10 M.

Decizie. Aici sunt îndeplinite toate condițiile care permit aplicarea formulei (2-14) (acidul acetic este un acid slab, concentrațiile de acid și bază conjugată sunt destul de mari). Asa de

EXEMPLUL 17. Calculați pH-ul unei soluții tampon constând din 0,10 M amoniac și 0,20 M clorură de amoniu.

Decizie. După formula (2-14) găsim

O caracteristică importantă a unei soluții tampon este capacitatea sa de tampon. Adăugând o bază tare (acid) la o soluție tampon, pH-ul acesteia se poate modifica odată cu modificarea concentrației acidului HA și a bazei conjugate A - . Prin urmare, capacitatea tampon este de obicei reprezentată ca

dacă la soluția tampon se adaugă o bază puternică și

dacă în soluţia tampon se adaugă un acid puternic. Să scriem ecuația bilanțului material pentru un amestec de acid monobazic HA și baza conjugată A -:

Să exprimăm [ON] în termeni de K a ONși înlocuiți în ecuația bilanțului material. Să găsim [A -]:

(2-17)

Diferențierea ecuației (2-17) față de dpH, ținând cont de faptul că dc main = , obținem

(2-18)

Este ușor de observat că la pH = pK a HA, adică. – C(HA) = C(A -), este atinsă capacitatea maximă a tamponului. Se poate arăta că

(2-19)

Formulele (2-18) și (2-19) urmează una de alta, dacă ne amintim că [ON] = A(HA)C(HA) și [A - ] = A(A -) C (A -), precum și expresii pentru A(ON) și A(DAR -).

Pentru soluțiile tampon foarte diluate, trebuie luată în considerare contribuția disocierii apei. În acest caz, ecuația (2-19) devine mai complicată:

Aici, primii doi termeni descriu acțiunea de tamponare a apei, al treilea descrie acțiunea de tamponare a acidului și a bazei conjugate.

EXEMPLUL 18. Calculați cum se va schimba pH-ul dacă se adaugă 1,0·10 -3 moli de acid clorhidric la 1,0 l de soluție tampon constând din acid acetic 0,010 M și acetat de sodiu 0,010 M.

Decizie. Calculăm pH-ul soluției tampon înainte de a adăuga acid clorhidric:

Concentrația totală a soluției tampon este

Pentru o astfel de soluție tampon suficient de concentrată, capacitatea tampon ar trebui calculată folosind formula (2-18):

Calcul, dar formula (2-19) dă același rezultat:

Calculați modificarea pH-ului

Astfel, după adăugarea acidului clorhidric, pH-ul soluției tampon va fi

pH = 4,75 - 0,087 = 4,66

Această problemă poate fi rezolvată fără a se recurge la calculul capacității tampon, ci prin găsirea cantităților componentelor amestecului tampon înainte și după adăugarea de HC1. În soluția originală

EXEMPLUL 19. Deduceți o expresie pentru capacitatea tampon maximă a unei soluții cu o concentrație totală de componente c.

Decizie. Să găsim condițiile în care capacitatea tampon este maximă. Pentru a face acest lucru, diferențiam expresia (2-18) prin pH și echivalăm derivata cu zero

Prin urmare, [H + ] = Ka HA și, în consecință, C (HA) = C (A -).

Folosind formulele (2-19) și (2-21), obținem asta

Calculul pH-ului amestecurilor de acizi sau baze. Fie ca soluția să conțină doi acizi HA 1 și HA 2. Dacă un acid este mult mai puternic decât celălalt, atunci aproape întotdeauna prezența acidului mai slab poate fi neglijată, deoarece disocierea acestuia este suprimată. În caz contrar, trebuie luată în considerare disocierea ambilor acizi.

Dacă HA 1 și HA 2 nu sunt acizi prea slabi, atunci neglijând autoprotoliza apei, ecuația de electroneutralitate poate fi scrisă astfel:

[H 3 O +] \u003d [A 1 -] +

Să aflăm concentrațiile de echilibru ale lui A 1 - și A 2 1 din expresiile pentru constantele de disociere ale HA 1 și HA 2:

Să substituim expresiile obținute în ecuația de electroneutralitate

După transformare obținem

Dacă gradul de disociere al acizilor nu depășește 5%, atunci

Pentru un amestec de P acizi

La fel pentru un amestec de baze monobazice

(2-21)

Unde K a 1și K a 2 - constantele de disociere ale acizilor conjugaţi. În practică, mai des, poate, există situații în care unul (unul) dintre acizii (bazele) prezenți în amestec suprimă disocierea altora și, prin urmare, pentru a calcula pH-ul, este posibil să se țină cont de disocierea doar a acest acid (această bază), și neglijează disocierea restului. Dar pot fi și alte situații.

EXEMPLUL 20. Calculați pH-ul amestecului în care concentrațiile totale de acizi benzoic și aminobenzoic sunt de 0,200, respectiv 0,020 M.

Decizie. Deși constantele de disociere ale benzoicului (K a= 1,62 10-6, notează K 1)și aminobenzoic (K a = 1,10 10 -5, notează K2) acizii diferă cu aproape două ordine de mărime; din cauza diferenței destul de mari în concentrațiile de acid, este necesar să se țină cont de disocierea ambilor acizi. Prin urmare, conform formulei (2-20) găsim

O soluție tampon sau pur și simplu un tampon este o soluție al cărei pH nu se modifică semnificativ atunci când se adaugă cantități mici de acid sau bază.

Soluțiile tampon pot fi clasificate în patru tipuri.

Soluții tampon care conțin un acid puternic

Orice acid puternic, cum ar fi acidul azotic, poate fi utilizat ca tampon cu pH scăzut. Acizii puternici sunt complet disociați în soluții apoase și, prin urmare, soluțiile lor sunt caracterizate printr-o concentrație mare de ioni de hidroniu. Adăugarea unei cantități mici de acid sau bază la un acid puternic are, prin urmare, doar un efect mic asupra pH-ului unei soluții de acid puternic.

De exemplu, dacă se adaugă 1 cm3 de acid clorhidric cu o concentrație de 0,1 mol/dm3 la 100 cm3 dintr-o soluție de acid azotic cu o concentrație de 0,01 mol/dm3, atunci acesta va scădea de la 2,00 la 1,96. O modificare a pH-ului de 0,04 poate fi considerată neglijabilă. Pentru a verifica valorile pH-ului de mai sus ale unei soluții înainte și după adăugarea acidului clorhidric, utilizați ecuația

Să comparăm acum scăderea neglijabilă indicată a pH-ului cu rezultatul adăugării unei soluții cu o concentrație de 0,1 mol/dm3 la 100 cm3 de apă pură. În acest caz, pH-ul scade brusc de la 7,00 la 4,00. În mod clar, apa pură nu acționează ca o soluție tampon, deoarece nu menține pH-ul aproximativ la același nivel. Concentrațiile soluțiilor tampon corespund părților plate ale curbelor de titrare prezentate în Fig. 8.2. Aceste părți ale curbelor de titrare sunt numite regiuni tampon. În regiunea tampon, valorile pH-ului sunt insensibile la mici modificări ale concentrației de acid sau bază.

Soluții tampon care conțin o bază puternică

Orice bază puternică poate fi folosită ca tampon cu o valoare mare.Adăugarea unei cantități mici de acid sau bază la un astfel de tampon are un efect neglijabil asupra De exemplu, atunci când se adaugă o soluție de acid clorhidric cu o concentrație a unei soluții cu o concentrație , o schimbare are loc de la 12.00 la 11.96. Modificarea în acest caz este de doar 0,04. Acest rezultat poate fi verificat folosind ecuația (6) și relația

Soluții tampon care conțin un acid slab

Soluțiile tampon cu valori stabile cuprinse între 4 și 7 pot fi obținute folosind orice acid slab și una dintre sărurile acestuia. În acest scop, se folosește adesea un amestec de acid acetic și acetat de sodiu. Acetatul de sodiu în soluție apoasă este complet ionizat

În schimb, acidul acetic este doar parțial ionizat.

Când se adaugă acid, acest echilibru se deplasează spre stânga, conținutul de ioni adăugați scade și valoarea inițială este restabilită.Prezența acetatului de sodiu în soluția tampon asigură un aport mare de ioni care pot compensa efectul porțiunilor adăugate de acid.

Când se adaugă o bază, aceasta este neutralizată de ionii de hidroniu

Îndepărtarea ionilor ca rezultat al acestei reacții determină deplasarea echilibrului (7) la dreapta. Concentrația ionilor și deci valoarea soluției rămân constante. Prezența acidului acetic în soluția tampon asigură o cantitate mare de molecule nedisociate capabile să se disocieze și astfel, dacă este necesar, să compenseze adăugarea de porțiuni de bază.

Acțiunea soluțiilor tampon poate fi considerată cantitativ pe baza legii acțiunii în masă. După cum se arată în secțiunea anterioară, aplicarea acestei legi la echilibrul de disociere a acidului acetic duce la următoarea expresie pentru constanta de disociere a acidului acetic:

Luând logaritmul acestei expresii se ajunge la următorul rezultat:

unde sunt concentrațiile totale ale particulelor corespunzătoare din soluția tampon. Constanta de disociere a acidului acetic este egală cu tabelul. 8.1). Aceasta înseamnă că echilibrul de disociere a acidului acetic descris de

ecuația (7), este deplasată semnificativ spre stânga. Din acest motiv, contribuția relativă a acidului acetic la cantitatea totală de ioni din soluția tampon este mică. Valoarea din ecuația (8) se datorează aproape în întregime contribuției de sare, adică. acetat de sodiu, care este complet disociat în ioni. Prin urmare,

Deoarece acidul acetic este puțin disociat în soluția tampon, concentrația de acid din amestecul de echilibru (7) coincide aproximativ cu concentrația sa inițială în soluția tampon. Acest lucru vă permite să scrieți

Înlocuind rezultatele obținute în ecuația (8), obținem

Relația rezultată se numește ecuația Henderson pentru o soluție tampon constând dintr-un acid slab și sarea acestuia. Poate fi folosit pentru diverse calcule si anume pentru calcularea: solutie tampon;

cantitatea de acid sau sare necesară pentru a obține o soluție tampon cu valoarea dorită

modificări ale soluției tampon atunci când i se adaugă mici porțiuni de acid sau bază.

a) Cât acetat de sodiu trebuie dizolvat în acid acetic, având o concentrație pentru a obține o soluție tampon cu

b) Cum se va schimba această soluție tampon dacă o soluție având o concentrație de

a) Din ecuația (9) este ușor de găsit

După condiție și

Conform Tabelului. 8.1.

Înlocuirea tuturor acestor valori în ecuația rezultată dă

Prin urmare,

Aceasta înseamnă că pentru a obține o soluție tampon cu un mol de acetat de sodiu trebuie dizolvat în acid acetic.

Masa molară relativă a acetatului de sodiu:

Prin urmare, masa unui mol de acetat de sodiu este

Astfel, pentru a obține o soluție tampon cu 1,46 g de acetat de sodiu trebuie dizolvate în acid acetic.

b) 1 cm3 dintr-o soluţie având o concentraţie conţine

0,001 mol Reacționează cu formarea Prin urmare, concentrația va scădea cu și concentrația va crește cu 0,001 mol/dm3 (o ușoară creștere în volum poate fi neglijată). Prin urmare,

Deci, atunci când se adaugă alcalii la soluția tampon, ar trebui să apară o modificare neglijabilă de 0,07.

Când luăm în considerare soluțiile tampon care conțin un acid slab, apare un caz special. Ecuația Henderson arată că atunci când concentrația de sare este exact egală cu concentrația de acid, soluția tampon este aceeași cu acel acid, adică.

De exemplu, dacă se adaugă 100 cm3 dintr-o soluție de 0,1 mol/dm3 la 100 cm3 dintr-o soluție de 0,1 mol/dm3, tamponul rezultat ar trebui să aibă un pH de 4,75 la 25°C.

Soluții tampon care conțin o bază slabă

Soluțiile tampon cu valori stabile cuprinse între 7 și 10 pot fi obținute prin amestecarea unei baze slabe cu una dintre sărurile sale. O soluție tampon tipică de acest tip este o soluție de amoniac și clorură de amoniu. Într-o soluție apoasă, clorura de amoniu se disociază complet

Amoniacul se disociază doar parțial în apă

Când se adaugă un acid la această soluție tampon, acesta este neutralizat de ioni, ca urmare, echilibrul (10) se deplasează la dreapta. Această schimbare menține o concentrație constantă de ioni și, prin urmare, o constantă

Când se adaugă o bază, echilibrul (10) se deplasează la stânga, iar concentrația ionilor OH este menținută constantă. Prezența clorurii de amoniu în soluția tampon oferă o cantitate mare de ioni în aceasta, ceea ce face posibilă compensarea efectului porțiunilor adăugate de bază.

Ecuația Henderson pentru o soluție tampon care conține o bază slabă și una dintre sărurile sale este

Aplicații tampon

Soluțiile tampon joacă un rol important în multe procese tehnologice. Sunt utilizate, de exemplu, în aplicarea electrochimică a straturilor de protecție, în producția de coloranți, materiale fotografice și piele. În plus, soluțiile tampon sunt utilizate pe scară largă în analiza chimică și pentru calibrarea pH-metrelor (vezi capitolul 10).

Multe sisteme biologice și de altă natură depind de soluțiile tampon pe care le conțin pentru a menține un pH constant. Valorile normale ale pH-ului pentru unele dintre aceste sisteme sunt enumerate în tabel. 8.6. De exemplu, pH-ul sângelui din corpul uman este menținut în intervalul de la 7,35 la 7,45, în ciuda faptului că conținutul de dioxid de carbon și, prin urmare, de acid carbonic din sânge poate varia foarte mult. Tamponul conținut în sânge este un amestec de fosfat, bicarbonat și proteine. Tampoanele proteice mențin pH-ul lacrimilor la 7,4. În studiile bacteriologice, pentru a menține un pH constant al mediilor de cultură utilizate pentru creșterea bacteriilor, este necesară și utilizarea soluțiilor tampon.

Tabelul 8.6, valorile pH-ului pentru unele sisteme biologice și alte soluții

INTRODUCERE

SOLUȚII TAMPON (amestecuri tampon, tampoane) - soluții care conțin sisteme tampon și, ca urmare, au capacitatea de a menține pH-ul la un nivel constant. Ele sunt de obicei preparate prin dizolvarea unui acid slab și a sării sale de metal alcalin luate în proporții adecvate în apă, neutralizarea parțială a unui acid slab cu un alcali puternic sau a unei baze slabe cu un acid puternic și dizolvarea unui amestec de săruri ale unui acid polibazic. Valoarea pH-ului soluțiilor tampon preparate în acest mod variază ușor cu temperatura. Intervalul valorilor pH-ului în care soluția tampon are proprietăți tampon stabile se află în pK ± 1 (pK este logaritmul zecimal negativ al constantei de disociere a acidului slab inclus în compoziția sa). Cele mai cunoscute soluții tampon sunt: ​​glicina lui Serensen, acetatul lui Walpole, fosfatul lui Serensen, boratul lui Palic, veronalul lui Michaelis, carbonatul lui Kolthoff, tamponul Tris, veronalul lui Michaelis universal etc.

În practica de laborator, soluțiile tampon sunt folosite pentru a menține reacția activă a mediului la un anumit nivel constant și pentru a determina pH-ul (pH) - ca soluții standard cu valori stabile ale pH-ului etc.

AMESTECURI TAMPON

Dacă se adaugă apă la o soluție de acid sau alcalin, atunci, desigur, concentrația de hidrogen sau ionii hidroxil scade în mod corespunzător. Dar dacă adăugați o anumită cantitate de apă la un amestec de acid acetic și acetat de sodiu sau la un amestec de hidroxid de amoniu și clorură de amoniu, atunci concentrația de hidrogen și ioni de hidroxil din aceste soluții nu se va schimba.

Proprietatea unor soluții de a menține neschimbată concentrația ionilor de hidrogen atunci când sunt diluate, precum și atunci când se adaugă cantități mici de acizi sau alcali puternici, este cunoscută ca acțiune de tamponare.

Soluțiile care conțin simultan un acid slab și sarea acestuia sau o bază slabă și sarea sa și au efect de tamponare se numesc soluții tampon. Soluțiile tampon pot fi considerate ca amestecuri de electroliți având ioni cu același nume. Prezența unui acid slab sau a unei baze slabe și a sărurilor acestora în soluție reduce efectul diluției sau acțiunea altor acizi și baze asupra pH-ului soluției.

Astfel de soluții tampon sunt următoarele amestecuri de CH 3 COOH + CH 3 C OON a, NH 4 OH + NH 4 Cl, Na 2 CO 3 + NaHCO 3 etc.

Soluțiile tampon, care sunt amestecuri de acizi slabi și sărurile acestora, au de obicei o reacție acidă (pH<7). Например, буферная смесь 0,1М раствора СН 3 Soluție COOP + 0,1M CH 3 CO ONa are pH = 4,7.

Soluțiile tampon, care sunt amestecuri de baze slabe și sărurile lor, au, de regulă, o reacție alcalină (pH> 7). De exemplu, un amestec tampon de soluție 0,1 M NH4OH + soluția 0,1M de NH4C1 are pH = 9,3.

Soluții tampon acido-bazice

Într-un sens larg, sistemele tampon sunt numite sisteme care mențin o anumită valoare a unui parametru atunci când compoziția se modifică. Soluțiile tampon pot fi

- acido-bazic - mentine o valoare constanta a pH-ului prin adaugarea unor cantitati mici de acid sau baza.

Redox - mentine constant potentialul sistemului atunci cand se introduc agenti oxidanti sau reducatori.

soluții tampon metalice cunoscute care mențin un pH constant.

În toate cazurile, soluția tampon este o pereche conjugată. În special, soluțiile tampon acid-bază conțin o pereche acid-bază conjugată. Efectul de tamponare al acestor soluții se datorează prezenței unui echilibru acido-bazic de tip general:

ON ↔ H ++ A -

conjugat acid

Baza

B + H + ↔ HH +

O warping conjugat

Acid

Deoarece în această secțiune sunt luate în considerare numai soluțiile tampon acid-bazic, le vom numi soluții tampon, omițând „acid-bază” în nume.

Soluțiile tampon sunt soluții care mențin un pH constant atunci când sunt diluate și se adaugă cantități mici de acid sau bază.

Clasificarea sistemelor tampon

1. amestecuri de soluţii de acizi slabi şi sărurile acestora. De exemplu, soluție tampon de acetat.

2. amestecuri de soluţii de baze slabe şi sărurile acestora. De exemplu, soluție tampon de amoniu.

3. amestecuri de soluţii de săruri ale acizilor polibazici de diferite grade de substituţie. De exemplu, soluție tampon fosfat.

4. ioni și molecule de amfoliți. Acestea includ, de exemplu, aminoacizi și sisteme tampon de proteine. Fiind într-o stare izoelectrică, aminoacizii și proteinele nu sunt tampon. Efectul de tamponare apare numai atunci când li se adaugă o anumită cantitate de acid sau alcali. În acest caz, se formează un amestec de două forme de proteine: a) un „acid proteic” slab + o sare a acestui acid slab; b) „bază proteică” slabă + sare a acestei baze slabe. Astfel, acest tip de sisteme tampon pot fi atribuite sistemelor tampon de primul sau al doilea tip.

Calculul pH-ului soluțiilor tampon

Calculul pH-ului sistemelor tampon se bazează pe legea acțiunii masei pentru echilibrul acido-bazic. Pentru un sistem tampon constând dintr-un acid slab și sarea acestuia, cum ar fi acetatul, concentrația ionilor H+ ușor de calculat din constanta de echilibru a acidului acetic:

CH 3 COOH ↔ CH 3 COO - + H +

(1).

Din (1) rezultă că concentrația ionilor de hidrogen este egală cu

(2)

În prezența CH3 Echilibrul acido-bazic COONa al acidului acetic este deplasat spre stânga. Prin urmare, concentrația de acid acetic nedisociat este practic egală cu concentrația de acid, adică. [CH 3 COOH] = cu acid.

Principala sursă de ioni de acetat este un electrolit puternic CH 3 COONa :

CH 3 COONa → Na + + CH 3 COO -,

Prin urmare, se poate presupune că [ CH 3 COO -] = din sare . Ținând cont de ipotezele făcute, ecuația (2) ia forma:

De aici, se obține ecuația Henderson-Hasselbach pentru sistemele tampon constând dintr-un acid slab și sarea acestuia:

(3)

Pentru un sistem tampon constând dintr-o bază slabă și sarea acesteia, cum ar fi amoniacul, concentrația ionilor de hidrogen din soluție poate fi calculată din constanta de disociere a bazei slabe.

NH 3 × H 2 O \u003d NH 4 OH ↔ NH 4 + + OH -

(4)

Exprimăm concentrația de ioni Oh- din produsul ionic al apei

(5)

și înlocuiți în (4).

(6)

Din (6) rezultă că concentrația ionilor de hidrogen este egală cu

(7)

În prezenţa NH4Cl echilibrul acido-bazic este deplasat spre stânga. Prin urmare, concentrația de amoniac nedisociat este practic egală cu concentrația de amoniac, adică. [ NH 4 OH] = cu bazic.

Principala sursă de cationi de amoniu este un electrolit puternic NH4Cl:

NH 4 Cl → NH 4 + + Cl -,

Prin urmare, se poate presupune că [ NH 4 +] = din sare . Ținând cont de ipotezele făcute, ecuația (7) ia forma:

(8)

De aici, se obține ecuația Henderson-Hasselbach pentru sistemele tampon constând dintr-o bază slabă și sarea acesteia:

(9)

În mod similar, puteți calcula pH-ul unui sistem tampon constând dintr-un amestec de soluții de săruri de acizi polibazici de diferite grade de substituție, de exemplu, fosfat, constând dintr-un amestec de soluții de hidrofosfat ( Na2HPO4 ) și dihidrofosfat ( NaH2PO4 ) sodiu. Acțiunea sa se bazează pe echilibrul acido-bazic:

H 2 PO 4 - ↔ H + + HPO 4 2-

Baza conjugată acidă slabă

(10)

Exprimând din (10) concentrația ionilor de hidrogen și făcând următoarele ipoteze:

[H2P04-] = c (H2P04-); [ HPO 4 2- ] = c (HPO 4 2- ), obținem:

(11).

Luând logaritmul acestei expresii și inversând semnele, obținem ecuația Henderson-Hasselbach pentru calcularea pH-ului sistemului tampon fosfat

(12),

Unde pK b (H 2 PO 4 - ) este logaritmul zecimal negativ al constantei de disociere

acid fosforic în a doua etapă; cu ( H 2 PO 4 - ) și cu (HPO 4 2- ), respectiv, concentrația de acid și sare.

Proprietățile soluțiilor tampon

Valoarea pH-ului soluțiilor tampon rămâne neschimbată atunci când sunt diluate, după cum rezultă din ecuația Henderson-Hasselbach. Când soluția tampon este diluată cu apă, concentrațiile ambelor componente ale amestecului scad de același număr de ori. Prin urmare, valoarea pH-ului nu ar trebui să se schimbe. Cu toate acestea, experiența arată că unele modificări ale pH-ului, deși nesemnificative, au loc. Acest lucru se explică prin faptul că ecuația Henderson-Hasselbach este aproximativă și nu ia în considerare interacțiunile interionice. Calculele precise ar trebui să țină cont de modificarea coeficienților de activitate a acizilor și bazelor conjugate.

Soluțiile tampon modifică puțin pH-ul atunci când se adaugă cantități mici de acid sau bază. Capacitatea soluțiilor tampon de a menține un pH constant atunci când li se adaugă cantități mici de acid tare sau bază tare se bazează pe faptul că un component al soluției tampon poate interacționa cu H+ acid adăugat, iar celălalt cu OH- bază adăugată. Ca rezultat, sistemul tampon le poate lega pe ambele H + și OH - și până la o anumită limită pentru a menține constanta valorii pH-ului. Să demonstrăm acest lucru folosind exemplul unui sistem tampon de formiat, care este o pereche conjugată acid-bază HCOOH/HCOO- . Echilibrul într-o soluție tampon de formiat poate fi reprezentat prin ecuația:

HCOOH ↔ HCOO-+H+

Când se adaugă un acid puternic, baza conjugată HCOO- leagă ionii adăugați H+ , transformându-se într-un acid formic slab:

HCOO - + H + ↔ HCOOH

Conform principiului lui Le Chatelier, echilibrul se deplasează spre stânga.

Când se adaugă un alcali, protonii acidului formic leagă ionii OH adăugați- în molecule de apă:

HCOOH + OH - → HCOO - + H2O

Echilibrul acido-bazic, conform lui Le Chatelier, se deplasează spre dreapta.

În ambele cazuri, există mici modificări ale raportului HCOOH/HCOO- , dar logaritmul acestui raport se modifică puțin. În consecință, pH-ul soluției se modifică ușor.

Esența acțiunii tampon

Acțiunea soluțiilor tampon se bazează pe faptul că componentele individuale ale amestecurilor tampon leagă ionii de hidrogen sau hidroxil ai acizilor și bazelor introduse în ele pentru a forma electroliți slabi. De exemplu, dacă o soluție tampon care conține un acid slab HA n iar sarea acestui acid Kt A n , adăugați alcali, apoi va avea loc reacția de formare a unui electrolit slab-apă:

H + + OH → H2O

Prin urmare, dacă se adaugă un alcali la o soluție tampon care conține un acid, atunci ionii de hidrogen s-au format în timpul disocierii electrolitice a acidului HA. n , se leagă de ionii hidroxil ai alcaliului adăugat, formând un electrolit-apă slab. În loc de ionii de hidrogen uzați, datorită disocierii ulterioare a acidului HA n , apar noi ioni de hidrogen. Ca rezultat, fosta concentrație de H+ - ionii din soluția tampon vor fi restabiliți la valoarea inițială.

Dacă se adaugă un acid puternic la amestecul tampon specificat, atunci va avea loc următoarea reacție:

H + + A n - → ON n

acestea. Si n - - ionii formați în timpul disocierii electrolitice a sării K t A n , combinându-se cu ionii de hidrogen ai acidului adăugat, formează molecule de acid slab. Prin urmare, concentrația ionilor de hidrogen din acidul puternic adăugat în amestecul tampon practic nu se va modifica. Efectul altor amestecuri tampon poate fi explicat într-un mod similar.

Valoarea pH-ului în soluții tampon

Schimbând rapoartele și puteți obține tampon

soluții care diferă într-o modificare lină a pH-ului față de valorile lor minime posibile. Într-o soluție apoasă de acid slab

[ H + ] = √K HAN * C HAN

Unde

pH = − lg [ Н + ] = − − log K HAN − − log C HAN

Dar din moment ce K HAN este o valoare constantă, cel mai bine este să o reprezentați sub formă pK HAN acestea. indicator al constantei de disociere electrolitică: pK Han = − log K HAN .

Apoi obținem asta într-o soluție apoasă de acid slab:

pH = - log [H + ] = - - pK HAN - - pC HAN

Pe măsură ce se adaugă un acid slab la o soluție apoasă de sare, pH-ul soluției se va modifica.

Conform ecuației, într-o soluție care conține un amestec de acid slab și sarea acestuia [Н+ ] = K HAN

apoi

pH \u003d - lg [H + ] \u003d - lg K HAN - lg C HAN + lg C Kt A n.

În mod similar, derivăm formula pentru bazele slabe:

[OH] = √KKtOH * CKtOH

pOH = − log [OH] = − − log K KtOH − − log C KtOH

Concentrația ionilor de hidrogen este exprimată și prin următoarea formulă [H+ ] = , deci

pH = pK w − (− pK KtOH − − lg C KtOH )

Conform ecuației, într-o soluție care conține un amestec dintr-o bază slabă și sarea acesteia

[H+]=

t . e .

pH \u003d - log [H + ] \u003d - log K w + log K KtOH - logC Kt A n + log C KtOH.

Nu este nevoie să memorați valorile pH-ului derivate din formulă, deoarece acestea sunt foarte ușor de obținut luând logaritmul formulelor simple care exprimă valoarea lui [H+ ].

Capacitate tampon

Capacitatea soluțiilor tampon de a menține o valoare constantă a pH-ului nu este nelimitată și depinde de compoziția calitativă a soluției tampon și de concentrația componentelor acesteia. Când se adaugă cantități semnificative de acid sau alcali puternic la soluția tampon, se observă o schimbare vizibilă a pH-ului. în plus, pentru diferite amestecuri tampon, care diferă între ele în compoziție, diferă unele de altele în compoziție, efectul tampon nu este același. Prin urmare, amestecurile tampon se pot distinge prin puterea rezistenței lor la acțiunea acizilor și alcalinelor introduse în soluția tampon în aceleași cantități și la o anumită concentrație. Cantitatea limită de acid sau alcali de o anumită concentrație (în mol/l sau g-eq/l), care poate fi adăugată într-o soluție tampon, astfel încât valoarea pH-ului acesteia să se modifice doar cu o unitate, se numește capacitatea tampon.

Dacă valoarea [H + ] dintr-o soluție tampon se modifică atunci când se adaugă un acid puternic mai mic decât valoarea lui [Н+ ] altă soluție tampon atunci când se adaugă aceeași cantitate de acid, primul amestec are o capacitate tampon mai mare. Pentru aceeași soluție tampon, cu cât capacitatea tamponului este mai mare, cu atât concentrația componentelor sale este mai mare.

Proprietăți tampon ale soluțiilor de acizi și baze puternice.

Soluțiile de acizi și baze puternice la concentrații suficient de mari au și un efect de tamponare. Sistemele conjugate în acest caz sunt H 30+/H2 O - pentru acizi tari și OH- /N 2 O - pentru baze puternice. Acizii și bazele puternice sunt complet disociate în soluții apoase și, prin urmare, se caracterizează printr-o concentrație mare de ioni de hidroniu.sau ioni de hidroxil. Adăugarea unor cantități mici de acid tare sau bază tare la soluțiile lor are, prin urmare, un efect neglijabil asupra pH-ului soluției.

Prepararea soluțiilor tampon

1. Diluarea într-un balon cotat a fixanelor corespunzătoare.

2. Amestecarea cantităților de perechi acido-baze conjugate adecvate calculate conform ecuației Henderson-Hasselbach.

3. Neutralizarea parțială a unui acid slab cu un alcalin puternic sau a unei baze slabe cu un acid puternic.

Deoarece proprietățile tampon sunt foarte slabe dacă concentrația unui component diferă de 10 ori sau mai mult de concentrația celuilalt, soluțiile tampon sunt adesea preparate prin amestecarea soluțiilor cu concentrații egale ale ambelor componente sau prin adăugarea unei cantități adecvate de reactiv într-un soluție a unui component, conducând la formarea unei concentrații egale a formei conjugate. Literatura de referință conține rețete detaliate pentru prepararea soluțiilor tampon pentru diferite valori ale pH-ului.

Aplicarea solutiilor tampon in analiza chimica

Soluțiile tampon sunt utilizate pe scară largă în analiza chimică în acele cazuri în care, conform condițiilor experimentului, reacția chimică trebuie să se desfășoare cu menținerea valorii exacte a pH-ului care nu se modifică atunci când soluția este diluată sau când i se adaugă alți reactivi. De exemplu, la efectuarea unei reacții de oxidare-reducere, în timpul precipitării sulfurilor, hidroxizilor, carbonaților, cromaților, fosfaților etc.

Iată câteva cazuri de utilizare a acestora în scopuri de analiză:

Soluție tampon acetat (CH3COOH + CH 3 COO Na ; pH \u003d 5) este utilizat pentru precipitarea precipitatelor care nu sunt precipitate în soluții acide sau alcaline. Efectul nociv al acizilor este suprimat de acetatul de sodiu, care reacționează cu un acid puternic. De exemplu:

HC1 + CH3COO Na → CH3COOH + Na C1

sau sub formă ionică

H + + CH3COO → CH3COOH.

Soluție tampon amoniac-amoniu ( NH4OH + NH4 C1; pH = 9) se folosește la precipitarea carbonaților de bariu, stronțiu, calciu și separarea acestora de ionii de magneziu; în timpul precipitării sulfurilor de nichel, cobalt, zinc, mangan și fier; precum și în izolarea hidroxizilor de aluminiu, crom, beriliu, titan, zirconiu, fier etc.

Soluție tampon de formiat (HCOOH + HCOO N A; pH = 2) se foloseşte la separarea ionilor de zinc precipitaţi sub formă ZnS în prezența ionilor de cobalt, nichel, mangan, fier, aluminiu și crom.

Soluție tampon fosfat ( Na2HP04 + NaH2 RO; pH = 8) este utilizat în efectuarea multor reacții redox.

Pentru a utiliza cu succes amestecurile tampon pentru analiză, trebuie reținut că nu orice amestec tampon este potrivit pentru analiză. Amestecul tampon este selectat în funcție de scopul său. Trebuie să satisfacă o anumită compoziție calitativă, iar componentele sale trebuie să fie prezente în soluție în anumite cantități, deoarece efectul amestecurilor tampon depinde de raportul dintre concentrația componentelor lor.

Cele de mai sus pot fi prezentate sub forma unui tabel.

Soluții tampon utilizate în test

amestec tampon	Compoziția amestecului (la un raport molar de 1:1)	pH
Format	Acid formic și formiat de sodiu
benzoat	Acid benzoic și benzoat de amoniu
Acetat	Acid acetic și acetat de sodiu
Fosfat	Fosfat de sodiu monosubstituit și disubstituit
amoniu	Hidroxid de amoniu și clorură de amoniu

Amestecuri de săruri acide cu diferite substituții de hidrogen cu metal au, de asemenea, un efect de tamponare. De exemplu, într-un amestec tampon de fosfat dihidrogen și fosfat acid de sodiu, prima sare joacă rolul unui acid slab, iar al doilea rol al sării sale.

Variind concentrația unui acid slab și a sării acestuia, este posibil să se obțină soluții tampon cu valori ale pH-ului specificate.

Sistemele tampon complexe funcționează și în organismele animale și vegetale, menținând un pH constant al sângelui, al limfei și al altor fluide. Solul are și proprietăți de tamponare, care tind să contracareze factorii externi care modifică pH-ul soluției de sol, de exemplu, atunci când se introduc acizi sau baze în sol.

CONCLUZIE

Deci, soluțiile tampon se numesc soluții care suportăpH constantă atunci când este diluat și se adaugă cantități mici de acid sau bază. O proprietate importantă a soluțiilor tampon este capacitatea lor de a menține o valoare constantă a pH-ului atunci când soluția este diluată. Soluțiile de acizi și baze nu pot fi numite soluții tampon, deoarece atunci când este diluat cu apă, pH-ul soluției se modifică. Cele mai eficiente soluții tampon sunt preparate din soluții de acid slab și sarea acestuia sau o bază slabă și sarea acestuia.

Soluțiile tampon pot fi considerate ca amestecuri de electroliți având ioni cu același nume. Soluțiile tampon joacă un rol important în multe procese tehnologice. Sunt utilizate, de exemplu, în aplicarea electrochimică a straturilor de protecție, în producția de coloranți, piele, materiale fotografice. Soluțiile tampon sunt utilizate pe scară largă în analiza chimică și pentru calibrarea pH-metrelor.

Multe fluide biologice sunt soluții tampon. De exemplu, pH-ul sângelui din corpul uman este menținut între 7,35 și 7,45; suc gastric de la 1,6 la 1,8; saliva de la 6,35 la 6,85. Componentele unor astfel de soluții sunt carbonați, fosfați și proteine. În studiile bacteriologice, cultivarea bacteriilor necesită și utilizarea soluțiilor tampon.

REFERINȚE

1. Kreșkov A.P. Fundamentele chimiei analitice. Cartea 1. - M: Chimie, 1965. -498 p.

2. Tsitovich I.K. Curs de Chimie Analitică: Manual pentru licee. - Sankt Petersburg: „Lan”, 2007 - 496 p.

3. Kreshkov A.P., Yaroslavtsev A.A. Curs de chimie analitică. Cartea 1. Analiză calitativă - ed. a II-a revizuită. - M.: Chimie, 1964 - 432 p.

4. Chimie: o carte de referință pentru liceeni și solicitanții universitari / Ed. Lidia R.A., Alikberova L.Yu. - M.: AST-PRESS SCHOOL, 2007 -512s.

5. Osipov Yu.S., Marea Enciclopedie Rusă: în 30 de volume.T.4.- M.: Marea Enciclopedie Rusă 2006. - 751 p.

6. Mikhailenko Ya.I., Introducere în analiza chimică, Goshimtekhizdat, 1933.