Почему pH крови почти не меняется, а pH чистой воды скачет от одной капли кислоты? Добавляй кислоту и щелочь в два стакана сразу и смотри, когда буфер сдастся.
В чистой воде нечему остановить кислоту: капнул, и все ионы H⁺ остались в растворе, pH упал на несколько единиц. Буфер это смесь слабой кислоты и ее соли, например уксусной кислоты и ацетата натрия. Когда приходит кислота, ацетат забирает ее H⁺ и сам становится уксусной кислотой. Когда приходит щелочь, уксусная кислота отдает свой H⁺ и нейтрализует OH⁻.
Так пришедшая кислота или щелочь не копится в растворе, а только переводит одну форму буфера в другую. pH зависит от отношения этих форм и меняется очень мало. Но запас конечен: когда одна из форм кончится, буфер сдается, и pH снова скачет, как у воды.
ⓘ В каждом стакане 100 мл. pH обоих стаканов рассчитан точно для каждой порции, с учетом разбавления. Кружки в буфере показывают долю кислой и щелочной формы, 24 кружка на весь запас.
Первая формула объясняет, почему буфер держит pH, вторая показывает, что без буфера каждая капля идет прямо в pH, третья отвечает, надолго ли хватит буфера. Числа под формулами из опыта, «работающая» карточка подсвечена.
Какой pH у буфера?
Уравнение Гендерсона-Хассельбаха. pH буфера равен pKa плюс логарифм отношения соли к кислоте. Пока отношение меняется мало, pH почти стоит.
Что происходит в стакане с водой?
Вся добавленная сильная кислота остается свободными ионами H⁺. Для щелочи то же самое: pH = 14 + lg cNaOH. Ни одна частица не «гасит» добавку.
Сколько выдержит буфер?
Буферная емкость: сколько молей кислоты или щелочи на литр сдвигает pH на единицу. Она наибольшая при pH = pKa и пропорциональна концентрации буфера: β ≈ 0,58 · c.
Слабая кислота в растворе живет в равновесии: HA ⇄ H⁺ + A⁻, и Ka = [H⁺] · [A⁻] / [HA]. Если выразить [H⁺] и взять −lg от обеих частей, получится pH = pKa + lg([A⁻]/[HA]). Сама концентрация буфера в формулу не входит: разбавь буфер водой, и pH почти не изменится.
Добавленная кислота делает реакцию A⁻ + H⁺ → HA: соли становится меньше, кислоты больше. Пусть было по 5 ммоль, и пришел 1 ммоль H⁺. Отношение стало 4 / 6, логарифм −0,18, pH сдвинулся на 0,18. В воде тот же 1 ммоль сдвинул бы pH с 7 до 2.
Когда A⁻ почти кончилась, отношение под логарифмом стремится к нулю, а логарифм к минус бесконечности: pH обрывается вниз. Емкость буфера максимальна при pH = pKa и падает в 3 раза уже на краях зоны pKa ± 1. Поэтому буфер выбирают с pKa рядом с тем pH, который нужно держать.
Гидрокарбонатный буфер держит pH крови между 7,35 и 7,45. Лишнюю угольную кислоту организм выдыхает как CO₂, а гидрокарбонат регулируют почки. Сдвиг pH всего на 0,3 уже опасен для жизни. При тяжелой работе на высоте дыхание учащается, и это тоже сдвигает буфер.
В антифриз добавляют бораты, фосфаты или соли органических кислот. Они держат pH 8–10, и сталь, чугун и алюминий в системе не корродируют. Гликоль при нагреве окисляется до кислот, буфер их нейтрализует, пока не исчерпан. Поэтому жидкость меняют по сроку или по замеру pH и резерва щелочности.
Моторное масло для дизеля содержит щелочные присадки: это запас против серной кислоты из продуктов сгорания топлива. Пока TBN высокий, кислоты нейтрализуются. Когда резерв падает вдвое от свежего масла, защита гильз и подшипников заканчивается.
Электрод pH-метра перед работой опускают в стандартные буферы с pH 4,01, 6,86 и 9,18. Их pH известен точно и почти не меняется от случайной капли воды или загрязнения, поэтому по ним настраивают прибор.
Ванны никелирования, цинкования и фосфатирования работают только в узком диапазоне pH. В них добавляют борную кислоту или другие буферы, чтобы pH у поверхности детали не сбивался при выделении водорода.
Карбонаты в воде и породе буферят озера и реки против кислотных дождей и кислых шахтных стоков. На кучном выщелачивании золота известь держит pH раствора выше 10, чтобы цианид не превращался в ядовитый газ HCN.
Температура 25 °C, концентрации вместо активностей, поэтому pH буферов на десятые отличается от справочных стандартов с солями. Реагенты HCl и NaOH по 1 моль/л, объем стаканов 100 мл, разбавление учитывается. Фосфатный и гидрокарбонатный буферы считаются со всеми ступенями диссоциации. Стаканы закрыты: углекислый газ не уходит и не поглощается, поэтому «кровь» в опыте ведет себя как закрытый раствор, без дыхания и почек, и буферит хуже настоящей. Боратный буфер упрощен до пары H₃BO₃ / B(OH)₄⁻ без полиборатов. Буферная емкость β в карточке посчитана для одной пары с pKa из списка.