Буферы представляют собой водные системы, которые устойчивы к изменениям pH при добавлении небольшого количества кислоты или основания и состоят из слабой кислоты и ее сопряженного основания. Буфер поддерживает постоянный pH раствора, поглощая протоны, которые высвобождаются в ходе реакций, или высвобождая протоны, когда они потребляются в ходе реакций. Открытие того, что частично нейтрализованные растворы слабых кислот или оснований устойчивы к изменениям рН при добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований, привело к появлению понятия «буфер».

Сопряженное основание — это кислота, которая потеряла протон.
HA  ↔  H⁺ + A^-
Кислотный  ↔  протон + конъюгированное основание

Конъюгированная кислота — это основание, которое получило протон.
А + Н ⁺  ↔  Н ⁺ А
Основание + протонная  ↔  конъюгированная кислота

Устанавливается равновесие между диссоциированной и недиссоциированной формой.
Например, слабая уксусная кислота частично диссоциирует в воде, образуя ацетат-ион:
СН₃СООН Н⁺ + СН₃СООН  ↔  ^-
Недиссоциированная уксусная кислота, ионы водорода и диссоциированный ион находятся в равновесии в растворе.

Ацетат натрия также диссоциирует в воде с образованием того же ацетат-иона:
CH₃COONa  ↔  Na⁺ + CH₃COO^-
Недиссоциированный ацетат натрия и ионы натрия и ацетата находятся в равновесии в растворе.

Таким образом, водный раствор смеси уксусной кислоты и ацетата натрия может поглощать ионы H⁺ от добавления кислоты путем соединения ионов водорода с ацетатным основанием с образованием уксусной кислоты. ^{Кроме того}, когда ионы OH вводятся в раствор путем добавления щелочи, они соединяются с молекулами кислоты (H⁺) с образованием воды. Таким образом, когда система пытается восстановить равновесие, раствор сопротивляется изменениям значения pH. Вот как работает буферное решение.

Что происходит после добавления кислоты в буфер?

Когда к равновесной смеси слабой кислоты и ее сопряженного основания добавляется некоторое количество сильной кислоты (больше H+), равновесие смещается влево в соответствии с принципом Ле Шателье.

Что происходит после добавления базы в буфер?

Аналогичным образом, если в смесь добавляется сильное основание, концентрация ионов водорода уменьшается меньше, чем ожидаемое количество добавляемого основания. Это происходит потому, что реакция смещается вправо, чтобы учесть потерю H⁺ в реакции с основанием.

Буферные растворы, состоящие из слабой кислоты и ее сопряженного основания, известны как кислотные буферы и имеют pH < 7. Буфер, состоящий из уксусной кислоты (слабой кислоты) и ацетата натрия (конъюгированное основание), является кислотным буфером и имеет pH около 4,75.
Буферные растворы, состоящие из слабого основания и его сопряженной кислоты, известны как щелочные буферы и имеют pH > 7. Примером щелочного буфера является водный раствор гидроксида аммония (слабое основание) и хлорида аммония (сопряженная кислота), который имеет pH 9,25.

Буферные растворы работают лучше всего, когда их pH аналогичен pH исследуемой системы или раствора. При изучении ферментов в биологии человека требуется система, которая соответствует pH крови, т.е. от 7,35 до 7,45, иначе ферменты не будут функционировать правильно. Если буферная система имеет pH за пределами желаемого диапазона, это также негативно повлияет на анализы.

Поэтому необходимо уметь готовить буферные растворы с определенным рН, и это можно сделать разными способами:

• Регулировка pH
  Кристаллическую кислоту или основание сначала растворяют в объеме воды, составляющем около 60-70% от конечного необходимого объема буферного раствора. Уровень pH проверяется, а затем корректируется. Если используется кристаллическая кислота, pH корректируется с помощью основания, которое не будет генерировать ионы, которые могут мешать исследуемой системе. Если используется кристаллическое основание, pH корректируется с помощью подходящей кислоты. Как только желаемый pH достигнут, объем буферного раствора можно долить воду для получения необходимого объема.
  
  
• Смешивание кислотных и щелочных растворов
  При этом способе раствор кислоты или основания смешивают с раствором попутной соли. Концентрации исходных растворов должны быть такими же, как и в требуемом буферном растворе. Растворы можно смешивать в различных соотношениях для достижения различных значений pH в конечном буферном растворе. В качестве альтернативы можно контролировать pH при добавлении одного раствора в другой.
  
  
• Использование уравнения Хендерсона-Хассельбаха
  Уравнение Хендерсона-Хассельбаха может быть использовано для оценки рН буферного раствора с использованием константы диссоциации pK_a. Когда слабая кислота (HA) находится в растворе и диссоциация на ионы водорода (H⁺) и его сопряженное основание (A^-) находится в равновесии, константа диссоциации является мерой силы кислоты в этой точке равновесия. Уравнение Хендерсона-Хассельбаха выглядит следующим образом: 



где: pKa — константа диссоциации слабой кислоты
[A-] - концентрация сопряженного основания в равновесном положении
[HA] — концентрация кислоты в равновесном положении

В случае, когда концентрация в равновесии сопряженного основания и кислоты одинакова, рН становится равным константе диссоциации. На этом этапе буферное решение обеспечивает максимальную возможность буферизации.
Уравнение Хендерсона-Хассельбаха также используется для определения константы диссоциации слабых кислот путем прямого измерения рН

Универсальные буферные растворы состоят из комбинации нескольких кислотно-основных пар. Это позволяет универсальным буферам поддерживать значение pH раствора в более широком диапазоне и, следовательно, может использоваться во многих других областях применения.

• Создание СОП для подготовки буфера
  Хорошей идеей является документирование процесса подготовки буфера и уверенность в том, что все следуют одной и той же процедуре, чтобы обеспечить согласованность и воспроизводимость. СОП должна содержать подробную информацию об используемых материалах и точные шаги по добавлению компонентов и измерению pH. СОП также может включать в себя многие из пунктов, упомянутых ниже.
  
  
• Носите защитную одежду
  Необходимо носить соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), например, защитные очки и одежду, особенно при работе с сильными кислотами или основаниями.
  
  
• Проверка на микробное загрязнение (особенно в биологических приложениях)
  Перед использованием любого буфера проверьте контейнер на микробное загрязнение. Буферные растворы с рН, близким к нейтральному, особенно восприимчивы к загрязнению. Вы можете заметить некоторое помутнение в растворе или осевшие на дне загрязнения.
  
  
• Правильно используйте pH-метр
  Ваш pH-метр должен регулярно калиброваться и обслуживаться для обеспечения точных измерений pH. Электрод должен быть правильно подготовлен перед использованием, и следует использовать достаточное количество буферного раствора, чтобы убедиться, что электродное соединение правильно погружено в воду. Обязательно дождитесь стабильного значения pH перед снятием показаний, а затем промойте электрод дистиллированной водой. Обязательно используйте pH-метр при температуре окружающей среды или используйте электрод со встроенным датчиком температуры.
  
  
• Следите за температурой
  Степень диссоциации может меняться в зависимости от температуры. Поэтому буферный раствор должен быть приготовлен при той же температуре, при которой вы будете проводить анализы. Также убедитесь, что температура, при которой вы калибруете электрод, совпадает с температурой, при которой вы измеряете.
  
  
• Помните о концентрации
  Обычной практикой является разбавление исходных буферных растворов до необходимой концентрации для использования в анализах. Однако изменение концентрации может повлиять на степень диссоциации. Поскольку pH является мерой ионов водорода (H⁺), изменение диссоциации может вызвать изменение pH. После разбавления pH следует еще раз проверить перед использованием буфера.