Buffers: hoe 'n swak suur en sy gekonjugeerde basis die pH bestendig hou

Twee vennote wat elk een bedreiging neutraliseer

Neem 'n mengsel van asynsuur, CH₃COOH, en natriumasetaat, wat CH₃COO⁻ verskaf. As sterk suur bygevoeg word, neem die asetaatioon die ekstra protone op: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. As sterk basis bygevoeg word, neutraliseer die asynsuur dit: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Albei reaksies verloop feitlik tot voltooiing, dus word die bygevoegde sterk suur of basis in meer van die swak vennoot omgeskakel. Die pH beweeg steeds, omdat die verhouding van suur tot basis verander, maar slegs effens. 'n Oplossing van slegs 'n swak suur kan dit nie doen nie, omdat dit byna geen gekonjugeerde basis het om bygevoegde suur te absorbeer nie.

Algemene bufferpare sluit in asynsuur met asetaat, ammonium met ammoniak, diwaterstoffosfaat met waterstoffosfaat, en koolsuur met waterstofkarbonaat. Die laaste paar help om menslike bloed naby pH 7.4 te hou, soos OpenStax afdeling 14.6 beskryf.

Henderson–Hasselbalch uit die Ka-uitdrukking aflei

Begin by Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] en los op vir hidronium: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Neem −log van albei kante om pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) te kry. Dit is die Henderson–Hasselbalch-vergelyking.

In 'n buffer is HA en A⁻ albei in aansienlike hoeveelhede teenwoordig, en elkeen onderdruk die ander se reaksie met water. Hul ewewigskonsentrasies is dus byna gelyk aan die hoeveelhede wat jy gemeng het. Daarom kan jy die voorbereide konsentrasies direk in die vergelyking invul sonder 'n ICE-tabel.

Omdat albei vennote in dieselfde volume is, is die verhouding van konsentrasies gelyk aan die verhouding van mol. Jy kan mol direk gebruik, wat 'n stap bespaar nadat suur of basis bygevoeg is.

• Wanneer [A⁻] = [HA], is die logterm nul en pH = pKa.
• Elke tienvoudige toename in die basis-tot-suur-verhouding verhoog die pH met een eenheid.
• Meer gekonjugeerde basis as suur gee 'n pH bo pKa; meer suur gee 'n pH daaronder.

Uitgewerkte voorbeeld: die pH van 'n asetaatbuffer

'n Buffer bevat 0.300 M CH₃COOH en 0.250 M CH₃COONa. Aanhangsel H gee Ka = 1.8 × 10⁻⁵, dus pKa = 4.745. Dan is pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Dra die onafgeronde pKa tot aan die einde. As jy dit eers tot 4.74 afrond, kry jy 4.66. Die verskil is binne die onsekerheid van 'n Ka met twee beduidende syfers, maar om net een keer aan die einde af te rond, hou jou antwoorde konsekwent met 'n antwoordsleutel. Die pH is effens onder pKa, soos verwag, omdat daar 'n bietjie meer suur as basis is.

Uitgewerkte voorbeeld: sterk suur byvoeg, dan sterk basis

Voeg 0.0200 mol HCl by 1.00 L van die buffer hierbo. Doen eers die neutralisasie, as 'n stoïgiometriestap: die H₃O⁺ skakel 0.0200 mol asetaat na asynsuur om. Asynsuur styg van 0.300 tot 0.320 mol en asetaat daal van 0.250 tot 0.230 mol. Dan is pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. Die pH het van 4.67 tot 4.60 gedaal, minder as 'n tiende van 'n eenheid.

Om dieselfde 0.0200 mol HCl by 1.00 L suiwer water te voeg, sou [H₃O⁺] = 0.0200 M en 'n pH van 1.70 gee, 'n daling van meer as vyf eenhede vanaf neutraal.

Voeg nou 0.0500 mol NaOH by 'n vars 1.00 L van die oorspronklike buffer. Die hidroksied skakel 0.0500 mol asynsuur na asetaat om, wat 0.250 mol suur en 0.300 mol basis oorlaat. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 'n styging van minder as 0.2 vanaf 4.67. In suiwer water sou dieselfde NaOH pH 12.70 gee.

Dieselfde logika laat jou 'n buffer maak deur gedeeltelike neutralisasie. Om 0.0400 mol asynsuur met 0.0150 mol NaOH te meng, laat 0.0250 mol suur en 0.0150 mol asetaat oor, dus pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, ongeag die finale volume.

'n Buffer vir 'n teiken-pH ontwerp

Kies eers 'n gekonjugeerde paar waarvan die pKa binne een eenheid van die gewenste pH is. Gebruik dan Henderson–Hasselbalch agteruit om die verhouding te vind, en stoïgiometrie om die verhouding in hoeveelhede om te sit.

Uitgewerkte voorbeeld. Berei 'n buffer met pH 9.50 voor uit 500.0 mL 0.200 M ammoniak deur vaste ammoniumchloried by te voeg. Die suurvennoot is NH₄⁺. Uit Aanhangsel I is Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, dus pKb = 4.745 en pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Die vereiste verhouding is [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 tot die mag (9.50 − 9.255) = 1.76.

Die fles bevat 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃, dus het dit 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ nodig. Met M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol is dit ongeveer 3.0 g ammoniumchloried, gerapporteer tot twee beduidende syfers omdat Kb twee het. In die praktyk sou jy dan die pH met 'n gekalibreerde meter kontroleer en aanpas.

Bufferkapasiteit en die nuttige pH-gebied

Buffergebied is die pH-bestek waaroor 'n buffer goed werk. 'n Verhouding van 10:1 of 1:10 stem ooreen met pH = pKa ± 1, en buite daardie bestek is een vennoot te skaars om veel meer suur of basis te absorbeer. Asetaatbuffers is nuttig van ongeveer pH 3.7 tot 5.7, en ammoniakbuffers van ongeveer 8.3 tot 10.3.

Bufferkapasiteit is die hoeveelheid suur of basis wat 'n buffer kan absorbeer voordat sy pH baie verander. Dit hang af van hoeveel van elke vennoot teenwoordig is, nie net van hul verhouding nie. Vergelyk twee asetaatbuffers, elk 1.00 L met gelyke suur en basis. Albei begin by pH = pKa = 4.74. Met 0.100 M van elk verlaag die byvoeging van 0.00500 mol HCl die pH met 0.04, tot 4.70. Met 0.0100 M van elk verlaag dieselfde byvoeging dit met byna 'n halwe eenheid, tot 4.27. Die verhouding was dieselfde, maar die verdunde buffer het 'n tiende van die kapasiteit gehad.

'n Buffer is uitgeput wanneer die bygevoegde suur of basis al een vennoot verbruik. Daarna word die pH deur die oormaat sterk suur of basis bepaal, en dit verander skerp.

Foute wat 'n bufferantwoord verkeerd maak

Bufferprobleme meng twee soorte redenering: stoïgiometrie vir die neutralisasie en ewewig vir die pH. Hou hulle in daardie volgorde.

• Die verhouding onderstebo skryf. Dit is basis oor suur: log([A⁻]/[HA]).
• Die bygevoegde HCl of NaOH in die Henderson–Hasselbalch-vergelyking invul voordat die neutralisasiestap gedoen is.
• pKb in plaas van pKa vir 'n ammoniakbuffer gebruik. Skakel om met pKa + pKb = 14.00 by 25 °C.
• Mol vir een vennoot met konsentrasie vir die ander meng wanneer hulle in verskillende volumes is.
• Aanneem dat 'n buffer steeds werk nadat die bygevoegde suur of basis die hoeveelheid van een vennoot oorskry.
• 'n Swak suur alleen, of 'n swak suur met 'n sterk suur, as 'n buffer behandel.