pH буферного раствора: точный расчёт по формуле

Буферный раствор (или буфер) — это смесь слабой кислоты и её соли (например, уксусной кислоты и ацетата натрия) либо слабого основания и его соли (например, аммиака и хлорида аммония). Главное свойство — способность поддерживать pH почти постоянным при добавлении кислоты или щёлочи. Это критически важно в химических лабораториях, биотехнологии, медицине (например, для ферментов) и даже в аквариумистике. Чтобы приготовить буфер с нужным pH, необходимо рассчитать соотношение компонентов — для этого и служит уравнение Гендерсона-Хассельбальха.

Где:

• pH — мера кислотности раствора (от 0 до 14);
• pKa — отрицательный десятичный логарифм константы кислотности слабой кислоты (чем меньше pKa, тем кислота сильнее);
• [соль] — молярная концентрация соли (например, ацетата натрия);
• [кислота] — молярная концентрация слабой кислоты (например, уксусной).

Для основных буферов (слабое основание + его соль) формула выглядит так:

но здесь pKa — это pKa сопряжённой кислоты основания (например, для аммиака NH₃ сопряжённая кислота — NH₄⁺). Важно не перепутать!

Условие: Приготовлен буферный раствор, содержащий 0.1 M уксусной кислоты (CH₃COOH) и 0.2 M ацетата натрия (CH₃COONa). pKa уксусной кислоты = 4.76. Рассчитайте pH.

Решение: Используем формулу для кислого буфера: pH = pKa + lg([соль]/[кислота]) = 4.76 + lg(0.2/0.1) = 4.76 + lg(2) = 4.76 + 0.30 = 5.06.

Условие: Раствор содержит 0.05 M NH₃ и 0.1 M NH₄Cl. pKa иона аммония (NH₄⁺) = 9.25. Найдите pH.

Решение: Для основного буфера используем pH = pKa + lg([основание]/[соль]) = 9.25 + lg(0.05/0.1) = 9.25 + lg(0.5) = 9.25 + (−0.30) = 8.95.

Примечание: Если бы мы ошибочно взяли pKa для NH₃ (которой нет), получили бы неверный результат.

Условие: Нужен буфер на основе муравьиной кислоты (HCOOH) с pH = 3.75. pKa = 3.75. Какое соотношение [соль]/[кислота] требуется?

Решение: Из уравнения: 3.75 = 3.75 + lg([соль]/[кислота]) ⇒ lg([соль]/[кислота]) = 0 ⇒ [соль]/[кислота] = 10⁰ = 1. Значит, концентрации должны быть равны. Если у нас 0.1 M соль, то кислота тоже 0.1 M.

1. Путаница между кислотой и основанием: Для основного буфера нельзя брать pKa самого основания; нужно pKa сопряжённой кислоты.
2. Использование концентраций в неправильных единицах: В формуле — молярность (моль/л), не граммы. Если дана масса, сначала переведите в моли.
3. Забывают про разбавление: При смешивании объёмы складываются, поэтому концентрации изменяются. Рассчитывайте конечные концентрации после смешивания.
4. Пренебрежение активностями: Для точных расчётов в концентрированных растворах (>0.1 M) нужно учитывать коэффициенты активности, но на начальном уровне достаточно концентраций.

1. Буфер состоит из 0.2 M CH₃COOH и 0.4 M CH₃COONa (pKa = 4.76). pH = ? Ответ: 5.06.
2. Буфер из 0.3 M NH₃ и 0.15 M NH₄Cl (pKa NH₄⁺ = 9.25). pH = ? Ответ: 9.55.
3. Какой должна быть концентрация соли, чтобы при 0.1 M кислоты (pKa = 4.0) получить pH = 4.3? Ответ: [соль] = 0.2 M (т.к. 4.3 = 4.0 + lg(x/0.1) ⇒ x = 0.2).

Чтобы не возиться с логарифмами вручную, используйте наш Калькулятор pH буферного раствора — введите pKa и концентрации, и получите готовый pH. Также может пригодиться Калькулятор pOH раствора для проверки, а если вы работаете с удобрениями — Калькулятор раствора удобрения.