Буферные системы (или буферные растворы) – это растворы, способные сохранять приблизительно постоянное значение рН при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот или сильных оснований.

    Буферные растворы могут содержать либо одно индивидуальное вещество, либо смесь веществ.

    Часто используют буферные растворы, содержащие смесь слабой кислоты и ее соли (например, муравьиная кислота и формиат натрия НСООН + НСООNa – формиатный буфер) или смесь слабого основания и соли этого основания (например, аммиак и хлорид аммония NH₃*H₂O + NH₄Cl – аммиачный буфер).

    Чтобы в буферной системе поддерживалось заданное постоянное значение рН, ее готовят, смешивая рассчитанные количества компонентов, из которых состоит буферная смесь.

    Рассмотрим подробнее два типа буферных систем: систему, содержащую слабую кислоту и ее соль, и систему, содержащую слабое основание и его соль.

А) Буферная смесь, содержащая слабую кислоту и ее соль:

    Примером такой системы может служить ацетатная буферная смесь – водный раствор, содержащий слабую уксусную кислоту СН₃СООН и ее соль– ацетат натрия CH₃COONa. Ацетат натрия (как сильный электролит) в водном растворе распадается на ионы нацело, а уксусная кислота (как слабый электролит) – лишь частично:

CH₃COONa → Na⁺ + CH₃COO^-

CH₃COOH + H₂O = H₃O⁺ + CH₃COO^-

    Буферное действие ацетатной смеси заключается в следующем.

    Если в буферную смесь прибавляют небольшой объем сильной кислоты, то ионы водорода этой кислоты, которые могли бы привести к изменения рН раствора, будут связываться ацетатными ионами в практически недиссоциирующую уксусную кислоту:

СН₃СОО^- + Н₃О⁺ = СН₃СООН + Н₂О

Так что баланс ионов водорода в растворе практически не нарушается и рН раствора сохраняется постоянным.

    Если к этому же раствору прибавить небольшое количество щелочи, то гидроксид-ионы щелочи будут связываться уксусной кислотой:

ОН^- + СН₃СООН = СН₃СОО^- + Н₂О

Так что значение рН раствора также практически изменится.

    Переходя к показателям, получаем:

                 c(СН₂СООН)

               рН = рК_а + р                                    (4)

                  с(СН₃СОО Na )

    аналогичные рассуждения в общем случае для буферной системы, содержащей слабую одноосновную кислоту НВ и ее соль KatB (Kat⁺ - однозарядный катион), приводят к формуле (16):

         с_а

               рН = рК_а + р         ,                (5)

          с_в

где К_а – константа кислотной диссоциации НВ: с_а и с_в – соответственно исходные концентрации кислоты НВ и ее соли KatB.

Б) Буферная система, содержащая слабое основание и его соль:

    Рассмотрим равновесие в аммиачной буферной смеси – в водном растворе аммиака и хлорида аммония:

NH ₃ * H ₂ O + NH ₄ Cl

    Хлорид аммония как сильный электролит распадается на ионы нацело:

NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl^-

NH₃ + H₂O = NH₃*H₂O = NH₄⁺ + OH^-

    Если к аммиачному буферу прибавить небольшое количество щелочи, то гидроксильные группы этой щелочи связываются катионами аммония с образованием практически не диссоциирующего в данных условиях аммиака:

ОН^- + NH ₄ ⁺ = NH ₃ * H ₂ O

Поэтому рН раствора и в этом случае практически не изменится.

    Найдем величину рН аммиачного буфера.

                                                                            c ( NH ₃ )

                      рН = 14 – рОН = 14 рК_в – р                     (6)

                                   c ( NH ₄ Cl )

    в общем случае для буферной смеси, содержащей слабое однокислотное основание В и его соль ВАn (An – анион), аналогичным путем можно прийти к формуле (17):

рН = 14 – рКв – р(с_в /с_а),   (7)

где рК_а – показатель константы основности слабого однокислого основания В; с_в и с_а – соответственно исходные концентрации слабого основания В и его соли Ban.