Książkowa definicja mówi, że bufory to takie roztwory, których pH prawie się nie zmienia po dodaniu niewielkich ilości mocnych kwasów lub zasad, ani po rozcieńczeniu wodą. Zwracam tutaj szczególną uwagę na wytłuszczone słowa, ponieważ każdy roztwór buforowy ma swoje granice, po przekroczeniu których traci właściwości buforujące (rozwinięcie tego tematu w dalszej części artykułu).

Przykłady typowych buforów:

• mieszanina słabego kwasu i soli tego kwasu z mocną zasadą, np. bufor octanowy (CH₃COOH + CH₃COONa)
• mieszanina słabej zasady i soli tej zasady z mocnym kwasem, np. bufor amonowy (NH₃*H₂O + NH₄Cl)
• mieszanina dwóch soli kwasu wieloprotonowego, zawierająca sprzężoną parę kwas-zasada według teorii Brønsteda, np. bufor fosforanowy (NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄)
• stężony roztwór mocnego kwasu, np. 1M HCl
• stężony roztwór mocnej zasady, np. 1M NaOH

Mechanizm działania

 
Prześledźmy to na przykładzie buforu octanowego. W roztworze tym zachodzić będą dwa procesy:

1. Dysocjacja soli – CH₃COONa → CH₃COO^– + Na⁺
2. Dysocjacja słabego kwasu – CH₃COOH ⇌ CH₃COO^– + H⁺

Pierwsza dysocjacja zachodzi całkowicie (mocny elektrolit, jakim jest dobrze rozpuszczalna sól), dzięki czemu stężenie jonów octanowych w tym roztworze jest duże i powoduje przesunięcie w lewo stanu równowagi drugiej dysocjacji, zgodnie z regułą przekory. Zadaniem soli jest więc niejako zablokowanie dysocjacji słabego kwasu. Teraz jeśli do roztworu dodamy mocną zasadę to przereaguje ona z jonami H⁺, które jednak w pewnym stopniu zostaną zregenerowane, poprzez odblokowanie dysocjacji słabego kwasu. Z kolei dodanie mocnego kwasu jest neutralizowane przez jony octanowe, które pamiętamy że występują w dużym stężeniu w związku z dysocjacją octanu sodu.

Niezwykle ważnym jest, aby umieć obliczyć pH przygotowywanego przez nas roztworu buforowego. Umożliwia to wzór Hendersona-Hasselbalcha (wzór H-H), którego wyprowadzenie, mimo iż stosunkowo proste, pozwolę sobie w tym miejscu pominąć:

• pH = pKa + log(c_z/c_k), gdzie c_z – stężenie sprzężonej zasady, c_k – stężenie sprzężonego kwasu

Krótki przykład dla zobrazowania skali opisywanego przeze mnie efektu. Dodanie 1ml 1M kwasu solnego do litra czystej wody powoduje zmianę pH o 4 jednostki, natomiast dodanie tej samej porcji kwasu do litra buforu octanowego (c_(CH3COOH) = c_(CH3COONa) = 0,1M) powoduje zmianę o 0,009 jednostki pH! Różnica jest nieporównywalna...

Pojemność buforowa

 
Jak już wcześniej wspomniałem, właściwości buforowe nie są nieograniczone. Zależą one od stosunku stężeń sprzężonej pary kwas-zasada oraz od sumy tych stężeń. Zdolność buforowania, jaką ma dany roztwór, wyraża się poprzez wielkość zwaną pojemnością buforową, określającą jak zmieni się pH po dodaniu określonej liczby moli mocnego kwasu lub mocnej zasady do 1 litra buforu:

• β = Δn / ΔpH

Pojemność buforowa układu wzrasta wraz z całkowitym stężeniem oraz gdy stosunek c_z/c_k zbliża się do jedności.