Буферные растворы в аналитической химии

Содержание

Введение…………………………………………………………………...………3

1. Литературный обзор……………………………………………………..……..4

1.1. Понятие  о буферных растворах ……………………………………….……4

1.2. Классификация  буферных растворов………………………………….……5

1.3. Механизм  действия буферных растворов…………………………….…….6

1.4. Применение  буферных растворов в химическом  анализе…………..……..7

1.5. Буферные системы в организме человека………………………….……….8

2. Приготовление  буферных растворов………………………………….……..15

3. Экспериментальная  часть……………………………………………...……..16

3.1. Реактивы, посуда, оборудование…………………………………..………16

3.2. Приготовление  раствора гидроксида натрия……………………...………16

3.3. Приготовление  раствора тетрабората натрия………………………..……17

3.4. Расчет  значения pH……………………………………………………...…..17

3.5. Измерение pH полученного буфера…………………………………..……18

Заключение..………………………………………………………………….…..20

Список литературы………………………………………………………..…….21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

         Многие реакции в растворе протекают в нужном направлении только при определенной концентрации ионов Н+. Изменение её в ту или иную сторону от соответствующего оптимального значения приводит к появлению новых, часто нежелательных продуктов. В связи с этим, поддержание постоянного значения рН на протяжении всего времени осуществления реакции часто является важным условием ее успешного завершения.

         Особенно актуально это для биохимических процессов, протекающих в живых организмах. Большинство из них катализируется различными ферментами или гормонами, проявляющими свою биологическую активность только в строго определенном и достаточно узком интервале значений рН.

         Растворы, способные сохранять постоянной концентрацию ионов Н+ при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разбавлении, называются буферными растворами или буферными системами.

         Целью данной работы является изучение литературы по различным буферным системам и приготовление одного из буферных растворов.

         При выполнении данной работы предполагалось решить следующие задачи:

         1) Провести литературный обзор  по существующим буферным растворам.

         2) Приготовить буферный раствор  с определенным значением pH.

 

 

 

 

 

 

 

1. Литературный обзор

1.1. Понятие о буферных растворах

         Буферные растворы – это растворы, рН которых практически не меняется при разведении, а также при добавлении небольших количеств кислот или щелочей [1]. В лабораторной практике очень часто приходится работать с растворами, которые должны иметь определенную величину рН. Для этого и готовят буферные растворы.

        При добавлении к воде небольших количеств кислоты или щелочи происходит изменение концентрации ионов водорода и, следовательно, рН раствора. Если эти же количества кислоты или щелочи прибавить не к воде, а к смеси водных растворов слабой кислоты и ее соли или слабого основания и его соли, то [Н+], а следовательно, и рН раствора практически не изменится.

         Свойство этих растворов сохранять неизменной концентрацию ионов водорода при разбавлении, добавлении к ним небольших количеств сильных кислот или щелочей, называется буферным действием [2].

         Буферные растворы находятся в водах мирового океана, почвенных растворах и живых организмах. Они выполняют функции регуляторов, поддерживающих активную реакцию среды при определенном значении, необходимом для успешного протекания реакций обмена веществ [1].

        Действие буферных растворов основано на том, что отдельные компоненты буферных смесей связывают ионы Н+ или ОН- вводимых в них кислот или оснований, образуя при этом слабый электролит.

         При добавлении к буферным растворам небольших количеств кислоты или щелочи и при разбавлении их рН практически не изменяется. Однако это справедливо только при добавлении кислот и щелочей в определенных пределах; если их прибавить много, то буферные свойства исчезают, так как будет превышена буферная емкость раствора [3].

         За единицу буферной емкости смеси условно принимают емкость такого раствора, для изменения рН которого на единицу требуется ввести 1 моль-эквивалент сильной кислоты или щелочи на 1 л буферного раствора.

         Если буферная емкость раствора А больше буферной емкости раствора В, то это значит, что для изменения рН раствора на одну единицу в раствор А необходимо добавить большую концентрацию кислоты или щелочи, чем в раствор В.

         Если к буферному раствору, имеющему различную концентрацию компонентов, прибавлять равные количества кислоты или щелочи, то рН раствора изменяется в различной степени.

         Для одного и того же буферного раствора буферная емкость тем больше, чем выше концентрации его компонентов [4].

         Таким образом, можно сделать выводы:

• буферный раствор обладает определенной буферной емкостью;

• максимальную буферную емкость имеют растворы, которые содержат равные концентрации слабой кислоты и ее соли или слабого основания и его соли;

• буферная емкость тем больше, чем выше концентрация компонентов буферной смеси.

         Часто на практике возникает необходимость выполнять операции или реакции при определенных значениях рН. А если в результате реакции выделяются Н+ или ОН- -ионы, то рН будет меняться, при этом может измениться кинетика, механизм процессов, растворимость осадков, ионизация соединений и т.д. В этих случаях для поддержания определенного значения рН раствора пользуются буферными растворами [5].

1.2. Классификация буферных растворов

         Различают естественные и искусственные буферные растворы. Естественным буферным раствором является кровь, содержащая гидрокарбонатную, фосфатную, белковую, гемоглобиновую и кислотную буферные системы. Искусственным буферным раствором может быть ацетатный буфер, состоящий из СН3СООН.

         Буферные растворы могут иметь кислую реакцию среды (рН < 7) или щелочную (рН > 7). [6].

        Буферные системы могут быть четырех типов:

1) Слабая кислота и ее анион:

        Например: ацетатная буферная система

СН3СООNa и СН3СООН, область действия рН = 3, 8 – 5, 8.

2) Слабое основание  и его катион:

         Например: аммиачная буферная система

NH3 и NH4Cl, область действия  рН = 8, 2 – 10, 2.

3) Анионы кислой и средней соли:

         Например: карбонатная буферная система

Na2CO3 и NaHCO3,  область действия рН = 9, 3 – 11.

4) Смесь двух кислых солей:

         Например: фосфатная буферная система

Na2HP04 и NaH2PO4,  область действия рН = 7,4 – 8 [7].

1.3. Механизм действия буферных растворов

         Разберемся, на чем основаны свойства буферных растворов, на примере буферной смеси уксусной кислоты и ацетата натрия.

         1)  Разбавление водой

         Уксусная кислота — кислота слабая, кроме того, ее диссоциация еще уменьшается благодаря присутствию ацетата натрия (влияние одноименного иона).

         Предположим, что рассматриваемый раствор разбавляют водой в 10 или в 20 раз. Казалось бы, вследствие сильного уменьшения концентрации уксусной кислоты концентрация ионов Н+ должна уменьшиться, но этого не происходит, потому что с разбавлением увеличивается степень диссоциации уксусной кислоты, так как уменьшается концентрация ацетата натрия, подавляющего диссоциацию уксусной кислоты этого раствора. Следовательно, при разбавлении водой рН практически не изменится.

         2) Прибавление сильной кислоты

        При добавлении к буферной смеси небольшого количества сильной кислоты, например, соляной, происходит реакция:

CH3COONa + НСl = NaCl + СН3СООН.

         Ионы Н+, поступающие в раствор, будут связываться в молекулы уксусной кислоты с малой степенью диссоциации. Таким образом, концентрация ионов Н+ почти не увеличится и рН раствора практически не изменится

         Если такое же количество кислоты прибавить в чистую воду, все ионы Н+ останутся в растворе, концентрация ионов водорода увеличится во много раз и рН раствора заметно изменится. А водород, как известно - Самый распространенный химический элемент.

        3) Прибавление небольшого количества щелочи

         Прибавленная в буферную смесь щелочь вступает в реакцию с уксусной кислотой:

СН3СООН + NaOH = CH3COONa + Н2O.

         Ионы ОН- связываются ионами Н+ уксусной кислоты в недиссоциированные молекулы воды. Однако убыль этих ионов пополняется в результате диссоциации молекул уксусной кислоты. Таким образом, рН раствора после прибавления щелочи практически не изменится.

         Если же прибавить щелочь в чистую воду, все ионы ОН- останутся в растворе. Концентрация ионов ОН- резко возрастет, концентрация ионов Н+ соответственно уменьшится и рН раствора изменится заметно.

        Аналогичные явления наблюдаются при добавлении небольших количеств кислот и щелочей к другим буферным смесям [8].

1.4. Применение буферных растворов в химическом анализе

         Буферные растворы широко применяются в химическом анализе в тех случаях, когда по условиям опыта химическая реакция должна протекать при соблюдении точного значения pH, не меняющегося при разбавлении раствора или при добавлении к нему других реагентов. Например, при проведении реакции окисления-восстановления, при осаждении сульфидов, гидроокисей, карбонатов, хроматов, фосфатов и др [9].

       

         Например:

         Ацетатный буферный раствор (CH3COONa и CH3COOH)  применяют при осаждении осадков, не осаждаемых в кислых или щелочных растворах. Вредное влияние кислот подавляет ацетат натрия, который вступает в реакцию с сильной кислотой.

        Аммиачно-аммонийный буферный раствор (NH3 и NH4CI) применяют при осаждении карбонатов бария, стронция, кальция и отделения их от ионов магния; при осаждении сульфидов никеля, кобальта, цинка, марганца, железа, а также при выделении гидроокисей алюминия, хрома, бериллия, титана, циркония, железа и т.п.

        Формиатный буферный раствор (HCOOH и HCOONa) применяют при отделении ионов цинка, осаждаемых в виде  в присутствии ионов кобальта, никеля, марганца, железа, алюминия и хрома.

         Фосфатный буферный раствор (Na2HP04 и NaH2PO4) используют при проведении многих реакций окисления — восстановления.

        Для успешного применения буферных смесей в целях анализа необходимо помнить о том, что не всякая смесь пригодна для данного анализа. Буферную смесь выбирают в зависимости от ее назначения. Она должна удовлетворять определенному качественному составу, а ее компоненты должны присутствовать в растворе в определенных количествах, так как действие буферных смесей зависит от соотношения концентраций их компонентов [7].

1.5. Буферные системы в организме человека

        Организм можно определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов – от морфологически самых простых до наиболее сложных – выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления, служащие одной цели – сохранению постоянства внутренней среды [10].

        Это относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и т.д.) организма человека и животных называется гомеостазом.

         Этот процесс осуществляется преимущественно деятельностью лёгких и почек за счёт дыхательной и выделительной функции. В основе гомеостаза лежит сохранение кислотно-основного баланса.

         Основная функция буферных систем предотвращение значительных сдвигов рН путём взаимодействия буфера как с кислотой, так и с основанием. Действие буферных систем в организме направлено преимущественно на нейтрализацию образующихся кислот.

Н+ + буфер- ßà Н-буфер

 

         В организме одновременно существует несколько различных буферных систем. В функциональном плане их можно разделить на бикарбонатную и небикарбонатную. Небикарбонатная буферная система включает гемоглобин, различные белки и фосфаты. Она наиболее активно действует в крови и внутри клеток [11].

         Бикарбонат является ключевым компонентом главной буферной системы организма. Она состоит из двух кислотно-основных частей, находящихся в динамическом равновесии: угольная кислота / бикарбонатный ион и бикарбонатный ион / карбонатный ион.