Roztwory buforowe są układami zdolnymi do utrzymywania względnie stałego pH środowiska, a ich składowymi są sprzężone pary kwas-zasada Brønsteda. W zależności od rodzaju buforu, jego komponentami (w wodnym roztworze) mogą być:

1. Słaba zasada i jej sól z mocnym kwasem (np. bufor amonowy: NH₃ + NH₄Cl).

2. Słaby kwas i jego sól z mocną zasad (np. bufor octanowy: CH₃COOH + CH₃COONa).

3. Dwie wodorosole (np. bufor fosforanowy: NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄).

Nie są to oczywiście wszystkie możliwe typy buforów, a podczas naszych dalszych rozważań omówimy sytuacje, z jakimi mamy do czynienia w środowisku wodnym. Skupimy się przy tym na wymienionych trzech rodzajach roztworów buforowych, z którymi związane były zadania z kilku majowych arkuszy maturalnych.

Zasada działania buforu amonowego.

Jak już zostało wspomniane na początku – składnikami roztworu buforowego są sprzężone pary kwas-zasada Brønsteda. Na przykład w buforze amonowym taką parę stanowi cząsteczka NH₃ oraz jon amonowy NH₄⁺. Pierwsza z wymienionych drobin pochodzi z rozpuszczonego w wodzie amoniaku, natomiast druga z nich z dysocjacji elektrolitycznej wprowadzonego do takiego roztworu chlorku amonu. Ponieważ wymieniona sól jest mocnym elektrolitem, to jej dysocjacja elektrolityczna na jony przebiega praktycznie całkowicie:

NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl^–

Z kolei amoniak jest słabą zasadą (K_b = 1,8·10^–5), co oznacza, że jego dysocjacja przebiega w niewielkim stopniu. Równanie tego procesu przyjmuje wówczas postać:

NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH^–

W obecności chlorku amonu amoniak praktycznie nie dysocjuje, ponieważ zgodnie z regułą przekory, gdy do układu znajdującego się w stanie równowagi opisanego powyższym równaniem wprowadzone zostaną jony NH₄⁺, to układ taki będzie chciał przeciwdziałać tej zmianie. Równowaga przesunie się zatem w lewo, w kierunku utworzenia cząsteczek amoniaku. Przyjmuje się, że w roztworze buforu amonowego liczba moli NH₃ praktycznie równa jest liczbie moli cząsteczek amoniaku wprowadzonych do wody, a liczba moli jonów NH₄⁺ praktycznie równa jest liczbie moli chlorku amonu (NH₄Cl) wprowadzonego do roztworu wody amoniakalnej.

Gdy do roztworu zawierającego bufor amonowy wprowadzony zostanie kwas, wówczas powstałe w wyniku dysocjacji tego kwasu jony (H₃O⁺) zostaną zneutralizowane w wyniku ich reakcji z zasadą Brønsteda (NH₃) stanowiącą składową buforu amonowego:

NH₃ + H₃O⁺ → NH₄⁺ + H₂O

Z kolei, wprowadzając do roztworu buforu pewną liczbę pochodzących z dysocjacji mocnej zasady jonów wodorotlenkowych (OH^–), wówczas zostaną one zneutralizowane w wyniku ich reakcji z obecnym w układzie składnikiem buforu jakim jest kwas Brønsteda (NH₄⁺):

NH₄⁺ + OH^– → NH₃ + H₂O

W konsekwencji opisanego zachowania się buforu amonowego wobec wprowadzonego roztworu kwasu lub zasady, pH roztworu buforu praktycznie nie ulegnie zmianie, o ile nie zostanie przekroczona tzw. pojemność buforowa układu (zdolność przeciwstawiania się zmianom pH po wprowadzeniu kwasu lub zasady). Pojęcie pojemności buforowej nie musi być Ci znane. Warto natomiast mieć świadomość, że żaden roztwór buforowy nie będzie działał w nieskończoność, gdy dodawać będziemy do niego zbyt dużą ilość roztworu kwasu bądź zasady.

Zasada działania buforu octanowego.

Składowymi roztworu buforowego mogą być również słaby kwas oraz jego sól z mocną zasadą. W przypadku buforu octanowego sprzężoną parę kwas-zasada Brønsteda stanowią kwas octowy (CH₃COOH ) oraz anion octanowy (CH₃COO^–). Pierwsza z wymienionych drobin pochodzi z wprowadzonego do wody kwasu etanowego (octowego), natomiast druga z nich z dysocjacji elektrolitycznej wprowadzonego do takiego roztworu octanu sodu (CH₃COONa). Ponieważ wymieniona sól jest mocnym elektrolitem, to jej dysocjacja elektrolityczna na jony przebiega praktycznie całkowicie:

CH₃COONa → CH₃COO^– + Na⁺

Z kolei kwas octowy jest słabym kwasem (K_a = 1,8·10^–5), co oznacza, że jego dysocjacja przebiega w niewielkim stopniu. Równanie tego procesu przyjmuje wówczas postać:

CH₃COOH + H₂O ⇄ CH₃COO^– + H₃O⁺

W obecności octanu sodu kwas etanowy praktycznie nie dysocjuje, ponieważ zgodnie z regułą przekory, gdy do układu znajdującego się w stanie równowagi opisanego powyższym równaniem wprowadzone zostaną jony CH₃COO^–, to układ taki będzie chciał przeciwdziałać tej zmianie. Równowaga przesunie się zatem w lewo, w kierunku utworzenia cząsteczek kwasu. Przyjmuje się, że w roztworze buforu octanowego liczba moli CH₃COOH praktycznie równa jest liczbie moli cząsteczek kwasu wprowadzonych do wody, a liczba moli jonów CH₃COO^– praktycznie równa jest liczbie moli octanu sodu (CH₃COONa) wprowadzonego do roztworu kwasu octowego.

Gdy do roztworu zawierającego bufor octanowy wprowadzony zostanie kwas, wówczas pochodzące z dysocjacji tego kwasu jony (H₃O⁺) zostaną zneutralizowane w wyniku ich reakcji z zasadą Brønsteda (CH₃COO^–) stanowiącą składową buforu octanowego:

CH₃COO^– + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O

Z kolei, wprowadzając do roztworu buforu pewną liczbę pochodzących z dysocjacji mocnej zasady jonów wodorotlenkowych (OH^–), wówczas zostaną one zneutralizowane w wyniku ich reakcji z obecnym w układzie składnikiem buforu jakim jest kwas Brønsteda (CH₃COOH):

CH₃COOH + OH^– → CH₃COO^– + H₂O

W konsekwencji opisanego zachowania się buforu octanowego wobec wprowadzonego roztworu kwasu lub zasady, pH roztworu buforu praktycznie nie ulegnie zmianie, o ile nie zostanie przekroczona jego pojemność buforowa.

Zasada działania buforu fosforanowego.

Zupełnie odmiennym rodzajem roztworu buforowego jest tzw. bufor fosforanowy, którego składnikami (oprócz stanowiącej rozpuszczalnik i zarazem środowisko wody) są dwie wodorosole kwasu ortofosforowego(V) – diwodoroortofosforan(V) sodu oraz wodoroortofosforan(V) sodu. Aby zrozumienie, które drobiny stanowią wówczas sprzężoną parę kwas-zasada Brønsteda stało się łatwiejsze, musimy bliżej przyjrzeć się wartościom stałych dysocjacji dwóch obecnych w tym buforze anionów:

K_a H₂PO₄^– = 6,34∙10^–8

K_a HPO₄^2– = 4,36∙10^–13

Z podanych wartości stałych dysocjacji wodoroanionów wynika, że każdy z nich jest słabym kwasem Brønsteda. Jednak z uwagi na o wiele większą wartość stałej dysocjacji anionu H₂PO₄^–, to właśnie ten jon jest mocniejszym kwasem Brønsteda.

W buforze fosforanowym ustala się następująca równowaga dynamiczna:

H₂PO₄^– + H₂O ⇄ HPO₄^2– + H₃O⁺

Gdy do roztworu buforu fosforanowego wprowadzony zostanie kwas, to układ taki będzie usiłował przeciwdziałać zmianie pH, co w konsekwencji doprowadzi do przebiegu reakcji:

HPO₄^2– + H₃O⁺ → H₂PO₄^– + H₂O

Zadajmy sobie zatem pytanie: dlaczego to anion HPO₄^2– będzie przyjmował proton, a nie jon H₂PO₄^–? Dzieje się tak, ponieważ anion HPO₄^2– jest mocniejszą zasadą Brønsteda, niż anion H₂PO₄^–. Należy pamiętać tutaj o zasadzie: im mocniejszy jest kwas Brønsteda, tym słabsza sprzężona z nim zasada. Jeśli do układu zawierającego kilka zasad Brønsteda wprowadzony zostanie kwas, to wówczas w pierwszej kolejności przereaguje najmocniejsza z nich. Jest to fundamentalna reguła o której należy pamiętać rozważając równowagi w wodnych roztworach stanowiących mieszaniny słabych kwasów Brønsteda oraz mieszaniny słabych zasad Brønsteda.

Kierując się powyższym możemy zatem wnioskować, że po wprowadzeniu do buforu fosforanowego roztworu zasady przebiegnie reakcja:

H₂PO₄^– + OH^– → HPO₄^2– + H₂O

Dzieje się tak, ponieważ jon H₂PO₄^– jest mocniejszym kwasem Brønsteda, niż jon HPO₄^2–. Stąd, jeśli do układu zawierającego kilka kwasów Brønsteda wprowadzona zostanie zasada, to wówczas w pierwszej kolejności przereaguje najmocniejszy z nich.

Bufor fosforanowy jest jednym z wielu układów buforujących znajdujących się w organizmie człowieka – jest ważnym składnikiem krwi utrzymującym jej pH na względnie stałym poziomie. Jako ciekawostkę można wymienić również jego ostatnie zastosowanie jako jednego ze składników szczepionki mRNA Comirnaty firm Pfizer i BioNTech przeciwko COVID-19.

Inne roztwory buforowe…

Oprócz buforu fosforanowego, w krwi obecne są jeszcze inne układ buforujące – węglanowy oraz hemoglobinianowy. Ponadto w pracach laboratoryjnych z udziałem materiału biologicznego bardzo często używa się buforu TRIS. Zasada działania opisanego układu jest taka sama jak buforu amonowego i polega na reakcji kwasu lub zasady Brønsteda z czynnikiem, który wprowadzony do układu buforującego usiłuje zmienić wartość pH takiego roztworu. Więcej informacji na temat tego roztworu znajdziesz w treści wstępnej do zadań o numerach 8, 9 oraz 10, które znajdują się poniżej.

Zapraszam Cię teraz do sprawdzenia swojej wiedzy rozwiązując kilka autorskich zadań maturalnych związanych z tematyką roztworów buforowych: zadanie 1, zadanie 2, zadanie 3, zadanie 4, zadanie 5, zadanie 6, zadanie 7, zadanie 8, zadanie 9, zadanie 10.

Spodobał Ci się ten artykuł? Polub mój fanpage na Facebooku oraz na Instagramie, aby nie ominęły Cię żadne nowości.

© dr inż. Rafał Szczypiński, wszelkie prawa zastrzeżone