Chemistry 12

            สารละลายบัฟเฟอร์  

        หมายถึง  สารละลายที่มีความสามารถในการควบคุมระดับ pH เอาไว้ได้  เมื่อเติมสารละลายกรดหรือเบสจำนวนที่ไม่มากเกินไป  เมื่อเปรียบเทียบกับน้ำบริสุทธิ์ที่เติมกรดหรือเบสจำนวนเท่ากัน  สารละลายที่มีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์จะควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ดีกว่าน้ำกลั่น  สารละลายบัฟเฟอร์เกิดจากการผสมระหว่างสารละลายกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อนนั้น  หรือสารละลายเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อนนั้น  แม้ว่าสารละลายบัฟเฟอร์จะควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ดีกว่าน้ำกลั่น  แต่ถ้าเติมกรดหรือเบสมากเกินไป  สารละลายบัฟเฟอร์ก็จะไม่สามารถควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ตลอด
ในที่สุดจะเสียสมบัติในการเป็นสารละลายบัฟเฟอร์ไป  เราเรียกความสามารถในการควบคุมระดับ  pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ว่า  buffer capacity 

 สารละลายบัฟเฟอร์มี 2 ประเภท

         1)  บัฟเฟอร์กรด   (Acid buffer solution)      เกิดจากสารละลายของกรดอ่อนผสมกับสารละลายเกลือของกรดอ่อนชนิดนั้น  สารละลายบัฟเฟอร์ประเภทนี้มี   pH < 7    เช่น
              CH₃COOH (กรดอ่อน)  +  CH₃COONa (เกลือของกรดอ่อน)
              HCN (กรดอ่อน)   +  KCN (เกลือของกรดอ่อน)
              H₂S(กรดอ่อน)    +  Na₂S  (เกลือของกรดอ่อน)
              H₂CO₃(กรดอ่อน)    +  NaHCO₃ (เกลือของกรดอ่อน)

         2)  บัฟเฟอร์เบส  (Basic buffer solution)  เกิดจากสารละลายของเบสอ่อนผสมกับสารละลายเกลือของเบสอ่อนนั้น  สารละลายบัฟเฟอร์แบบนี้ มี pH  >  7    เช่น
              NH₃ (เบสอ่อน)  +  NH₄Cl (เกลือของเบสอ่อน)
              NH₃ (เบสอ่อน)    +  NH₄NO₃ (เกลือของเบสอ่อน)
              Fe(OH)₂ (เบสอ่อน)    +  FeCl₂ (เกลือของเบสอ่อน)
              Fe(OH)₃ (เบสอ่อน)    +  FeCl₃ (เกลือของเบสอ่อน)

 วิธีเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์

              1.  เตรียมโดยตรงจากการผสมสารละลายของกรดอ่อนกับสารละลายเกลือของกรดอ่อนนั้น  หรือผสมสารละลายของเบสอ่อนกับสารละลายเกลือของเบสอ่อนนั้น  ดังรูป
 

          2.  เตรียมจากปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส
               2.1  บัฟเฟอร์กรด  เตรียมโดยใช้สารละลสยของกรดอ่อนที่มากเกินพอ ทำปฏิกิริยากับเบส (แก่หรืออ่อนก็ได้  แต่ต้องมีจำนวนน้อยกว่ากรดอ่อนจนถูกใช้หมด)  เช่น  

                                                                                    HF_(aq)        +       NaOH_(aq)    ↔    NaF_(aq)  +  H₂O_(l) 
                                                                            (กรดอ่อนมากเกินพอ)       (หมด)       (เกลือของกรดอ่อนที่เกิดขึ้น)
                                                                                   (มีเหลือ)

                 ถ้าใช้ HF มากเกินพอจะมี  HF  เหลืออยู่  เมื่อเกิดปฏิกิริยาจนสมบูรณ์แล้ว  NaOH  จะหมดไป  ในระบบจะเป็นสารละลายผสมระหว่างHF  ส่วนที่เหลือ  กับ NaF  ที่เกิดขึ้น  
          จึงเป็นบัฟเฟอร์กรด  (กรดอ่อน+เกลือของกรดอ่อนนั้น)  ดังรูป

 

                        2.2   บัฟเฟอร์เบส  เตรียมโดยใช้สารละลายเบสอ่อนที่มากเกินพอ  ทำปฎิกิริยากับสารละลายกรดกรด  (แก่หรืออ่อนก็ได้  แต่ต้องมีจำนวนน้อยกว่าเบสอ่อนจนถูกใช้หมด)  เช่น 

                                                                                         HCl_(aq)  +   NH₄OH_(aq)   →   NH₄Cl_(aq)  +    H₂O_(l)  
                                                                                        (หมด)       (มากเกินพอ)           (เกิดขึ้น)
                                                                                                           มีเหลือ

       เมื่อเกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์แล้ว  HCl  จะหมดไปแต่ NH₄OH ยังมีเหลือ ฉะนั้นในระบบจะเป็นสารละลายผสมระหว่าง NH₄OH  สว่นที่เหลือ กับ  NH₄Cl ที่เกิดขึ้น จึงเป็นสารละลายบัฟเฟอร์เบส  (เบสอ่อน + เกลือของเบสอ่อนนั้น) 

 การควบคุมค่า pH  ของสารละลายบัฟเฟอร์  

                ส่วนประกอบของสารละลายบัฟเฟอร์ จะแตกต่างจากสารละลายของกรดอ่อนหรือเบสอ่อน   คือ  ในสารละลายกรดอ่อนจะมีอนุภาคของกรดอ่อนละลายอยู่มาก  แต่อนุภาคของคู่เบสมีน้อย  เช่น   

                แต่เมื่อผสมสารละลายเกลือของ  CH₃COOH  เช่น  CH₃COONa  ซึ่งเป็นสารไอออนิกที่ละลายน้ำได้ดี  แตกตัวเป็นไอออนได้ทั้งหมด  จึงมี  CH₃COO^-  อยู่เป็นจำนวนมาก  ดังนี้

                เมื่อนำมาผสมกันจะมีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์  ให้สังเกตว่าในสารละลายจะมีกรดอ่อนและคูเบสของกรดอ่อนเป็นจำนวนมากทั้งคู่  ดังสมการ

             การที่ในสารละลายมี กรดอ่อนและคู่เบสของกรดอ่อนนั้นอยู่เป็นจำนวนมาก  ทำให้สามารถควบคุมระดับความเป็นกรด-เบสของสารละลายเอาไว้ได้จึงมีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์  เพราะ  ...

                -  เมื่อเติมกรด (H⁺) กรดหรือ  H⁺  ที่เติมลงไปก็จะรวมตัวกับ  CH₃COO^-  เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเปลี่ยนให้อยู่ในรูป  CH₃COOH ได้เกือบทั้งหมด  ทำให้ความเข้มข้น  H⁺  เพิ่มขึ้นน้อยกว่า
       จำนวนที่เติมลงไปจริง  pH  จึงแปลี่ยนแปลงน้อยกว่าปริมาณของ H⁺  ที่เติมลงไปจริง 
                                                                                   (คลิ้ก  ฃมการควบคุม  pH  ของสารละลายบัฟเฟอร์กรด)

                -   เมื่อเติมเบส (OH^-) เบสหรือ  OH^-  ที่เติมลงไปก็จะรวมตัวกับ  H⁺  เปลี่ยนให้มาอยู่ในรูป  H₂O ทำให้  H⁺  ลดลงในตอนแรก  แต่ในเวลาเดียวกัน  CH₃COOH  ซึ่งมีอยู่มาก
       (สังเกตทางซ้ายของสมการ)ก็จะเกิดการแตกตัวให้ H⁺ มาทดแทนได้เกือบทั้งหมด  ทำให้ปริมาณของ H⁺ จึงลดลงน้อยกว่าปริมาณของ OH^-  ที่เติม  pH  จึงเปลี่ยนแปลงน้อยกว่าปริมาณของ OH^- 
       ที่เติมลงไปจริง  

                สำหรับสารละลายบัฟเฟอร์เบสก็จะมีลักษณะเช่นเดียวกัน  คือเบสอ่อนแตกตัวได้น้อย  เช่น  การละลายของ  NH₄OH  ดังสมการ  ;  

         แต่สำหรับเกลือของเบสชนิดนี้  เช่น  NH₄Cl  จะละลายน้ำได้ดี  ดังสมการ

    เมื่อผสมสารละลายของเบสอ่อนกับสารละลายเกลือของเบสอ่อนเข้าด้วยกัน  ในสารละลายที่ได้จากการผสมก็จะมีมากทั้งตัวของเบสอ่อนลัคู่กรดของมัน  จึงมีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์  ดังสมการ