Buferlər: zəif turşu və onun qoşa əsası pH-ı necə sabit saxlayır

Hər biri bir təhlükəni neytrallaşdıran iki tərəfdaş

Sirkə turşusu, CH₃COOH, və CH₃COO⁻ verən natrium asetat qarışığını götürün. Güclü turşu əlavə edilərsə, asetat ionu artıq protonları qəbul edir: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Güclü əsas əlavə edilərsə, sirkə turşusu onu neytrallaşdırır: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Hər iki reaksiya mahiyyətcə sona qədər gedir, buna görə əlavə edilmiş güclü turşu və ya əsas zəif tərəfdaşın əlavə miqdarına çevrilir. Turşu ilə əsasın nisbəti dəyişdiyindən pH yenə də dəyişir, lakin yalnız azca. Təkcə zəif turşu məhlulu bunu edə bilməz, çünki onda əlavə edilmiş turşunu udmaq üçün demək olar ki, qoşa əsas yoxdur.

Geniş yayılmış bufer cütlərinə sirkə turşusu və asetat, ammonium və ammonyak, dihidrofosfat və hidrofosfat, həmçinin karbonat turşusu və hidrokarbonat daxildir. OpenStax bölmə 14.6-nın təsvir etdiyi kimi, sonuncu cüt insan qanının pH-ını 7.4 yaxınlığında saxlamağa kömək edir.

Henderson–Hasselbalx tənliyinin Ka ifadəsindən çıxarılması

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] ifadəsindən başlayın və hidroniumu tapın: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Hər iki tərəfin −log-unu götürərək pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) alın. Bu, Henderson–Hasselbalx tənliyidir.

Buferdə həm HA, həm də A⁻ əhəmiyyətli miqdarda mövcuddur və hər biri digərinin su ilə reaksiyasını boğur. Buna görə onların tarazlıq qatılıqları qarışdırdığınız miqdarlara demək olar ki, bərabərdir. Hazırlanmış qatılıqları ICE cədvəli olmadan birbaşa tənliyə qoya bilməyinizin səbəbi budur.

Hər iki tərəfdaş eyni həcmdə olduğundan qatılıqların nisbəti mol miqdarlarının nisbətinə bərabərdir. Mol miqdarlarından birbaşa istifadə edə bilərsiniz; bu, turşu və ya əsas əlavə edildikdən sonra bir addımı qısaldır.

• [A⁻] = [HA] olduqda loqarifm həddi sıfırdır və pH = pKa.
• Əsasın turşuya nisbətinin hər on dəfə artması pH-ı bir vahid artırır.
• Qoşa əsasın turşudan çox olması pKa-dan yuxarı pH verir; turşunun çox olması ondan aşağı pH verir.

Həll olunmuş nümunə: asetat buferinin pH-ı

Buferdə 0.300 M CH₃COOH və 0.250 M CH₃COONa var. Əlavə H Ka = 1.8 × 10⁻⁵ verir, buna görə pKa = 4.745. Onda pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Yuvarlaqlaşdırılmamış pKa-nı sona qədər saxlayın. Onu əvvəlcədən 4.74-ə yuvarlaqlaşdırmaq 4.66 verir. Fərq iki əhəmiyyətli rəqəmli Ka-nın qeyri-müəyyənliyi daxilindədir, lakin yalnız sonda bir dəfə yuvarlaqlaşdırmaq cavablarınızı cavab açarı ilə uyğun saxlayır. Gözlənildiyi kimi, pH pKa-dan bir qədər aşağıdır, çünki turşu əsasdan bir az çoxdur.

Həll olunmuş nümunə: əvvəlcə güclü turşu, sonra güclü əsas əlavə etmək

Yuxarıdakı buferin 1.00 L-nə 0.0200 mol HCl əlavə edin. Əvvəlcə neytrallaşmanı stexiometrik addım kimi aparın: H₃O⁺ 0.0200 mol asetatı sirkə turşusuna çevirir. Sirkə turşusu 0.300-dən 0.320 mol-a qədər artır, asetat isə 0.250-dən 0.230 mol-a qədər azalır. Onda pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67-dən 4.60-a düşdü, yəni bir vahidin onda birindən az.

Eyni 0.0200 mol HCl-i 1.00 L təmiz suya əlavə etmək [H₃O⁺] = 0.0200 M və pH 1.70 verərdi, bu da neytraldan beş vahiddən çox düşmədir.

İndi ilkin buferin təzə 1.00 L-nə 0.0500 mol NaOH əlavə edin. Hidroksid 0.0500 mol sirkə turşusunu asetata çevirir və 0.250 mol turşu və 0.300 mol əsas qalır. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, yəni 4.67-dən 0.2-dən az artım. Təmiz suda eyni NaOH pH 12.70 verərdi.

Eyni məntiq qismən neytrallaşma ilə bufer hazırlamağa imkan verir. 0.0400 mol sirkə turşusunu 0.0150 mol NaOH ilə qarışdırmaq 0.0250 mol turşu və 0.0150 mol asetat qoyur, buna görə son həcmdən asılı olmayaraq pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

Hədəf pH üçün buferin hazırlanması

Əvvəlcə pKa-sı istədiyiniz pH-dan bir vahid daxilində olan qoşa cüt seçin. Sonra nisbəti tapmaq üçün Henderson–Hasselbalx tənliyindən tərsinə, nisbəti miqdarlara çevirmək üçün isə stexiometriyadan istifadə edin.

Həll olunmuş nümunə. 500.0 mL 0.200 M ammonyakdan bərk ammonium xlorid əlavə etməklə pH 9.50 buferi hazırlayın. Turşu tərəfdaşı NH₄⁺-dur. Əlavə I-dən Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, buna görə pKb = 4.745 və pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Lazım olan nisbət [NH₃]/[NH₄⁺] = 10-un (9.50 − 9.255) qüvvəti = 1.76-dır.

Kolbada 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ var, buna görə ona 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ lazımdır. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol olduqda bu, təxminən 3.0 g ammonium xlorid edir; Kb-nin iki əhəmiyyətli rəqəmi olduğuna görə iki əhəmiyyətli rəqəmlə verilir. Praktikada bundan sonra pH-ı kalibrlənmiş pH-metrlə yoxlayıb tənzimləyərdiniz.

Bufer tutumu və faydalı pH intervalı

Bufer intervalı buferin yaxşı işlədiyi pH aralığıdır. 10:1 və ya 1:10 nisbəti pH = pKa ± 1-ə uyğundur və bu aralıqdan kənarda tərəfdaşlardan biri daha çox turşu və ya əsas udmaq üçün həddindən artıq az olur. Asetat buferləri təxminən pH 3.7-dən 5.7-yə qədər, ammonyak buferləri isə təxminən 8.3-dən 10.3-ə qədər faydalıdır.

Bufer tutumu buferin pH-ı kəskin dəyişməzdən əvvəl uda biləcəyi turşu və ya əsas miqdarıdır. O, təkcə tərəfdaşların nisbətindən deyil, hər birinin nə qədər mövcud olmasından asılıdır. Hər biri bərabər turşu və əsaslı 1.00 L olan iki asetat buferini müqayisə edin. Hər ikisi pH = pKa = 4.74 ilə başlayır. Hər birindən 0.100 M olduqda 0.00500 mol HCl əlavə etmək pH-ı 0.04 azaldaraq 4.70-ə endirir. Hər birindən 0.0100 M olduqda eyni əlavə onu təxminən yarım vahid azaldaraq 4.27-yə endirir. Nisbət eyni idi, lakin durulaşdırılmış buferin tutumu on dəfə az idi.

Əlavə edilmiş turşu və ya əsas tərəfdaşlardan birini tamamilə sərf etdikdə bufer tükənir. Bundan sonra pH artıq güclü turşu və ya əsasla müəyyən olunur və kəskin dəyişir.

Bufer cavabını səhv edən xətalar

Bufer məsələləri iki növ mühakiməni birləşdirir: neytrallaşma üçün stexiometriya və pH üçün tarazlıq. Onları bu ardıcıllıqla saxlayın.

• Nisbəti tərsinə yazmaq. Əsas surətdə, turşu məxrəcdədir: log([A⁻]/[HA]).
• Neytrallaşma addımını aparmazdan əvvəl əlavə edilmiş HCl və ya NaOH-ı Henderson–Hasselbalx tənliyinə qoymaq.
• Ammonyak buferi üçün pKa əvəzinə pKb-dən istifadə etmək. 25 °C-də pKa + pKb = 14.00 ilə çevirin.
• Tərəfdaşlar fərqli həcmlərdə olduqda birinin mol miqdarını digərinin qatılığı ilə qarışdırmaq.
• Əlavə edilmiş turşu və ya əsas tərəfdaşlardan birinin miqdarını aşdıqdan sonra buferin hələ də işlədiyini fərz etmək.
• Təkcə zəif turşuya və ya zəif turşu ilə güclü turşuya bufer kimi baxmaq.