Mga Buffer: Giunsa sa Huyang nga Acid ug sa Conjugate Base Niini Pagpabilin nga Lig-on ang pH

Duha ka kauban nga ang matag usa mo-neutralize sa usa ka hulga

Kuhaa ang sagol sa acetic acid, CH₃COOH, ug sodium acetate, nga mohatag og CH₃COO⁻. Kung idugang ang lig-on nga acid, ang acetate ion mokuha sa sobra nga mga proton: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Kung idugang ang lig-on nga base, ang acetic acid mo-neutralize niini: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Ang duha ka reaksyon halos makompleto, busa ang gidugang nga lig-on nga acid o base mahimong dugang sa huyang nga kauban. Molihok gihapon ang pH, tungod kay mausab ang ratio sa acid ngadto sa base, apan gamay ra. Ang solusyon sa huyang nga acid lamang dili makahimo niini, tungod kay halos wala kini conjugate base aron mosuhop sa gidugang nga acid.

Ang komon nga mga buffer pair naglakip sa acetic acid uban ang acetate, ammonium uban ang ammonia, dihydrogen phosphate uban ang hydrogen phosphate, ug carbonic acid uban ang hydrogen carbonate. Ang katapusang pair motabang sa pagpabilin sa dugo sa tawo duol sa pH 7.4, sama sa gihulagway sa OpenStax section 14.6.

Pagkuha sa Henderson–Hasselbalch gikan sa Ka nga expression

Sugdi sa Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] ug sulbara alang sa hydronium: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Kuhaa ang −log sa duha ka kilid aron makuha ang pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Kini ang Henderson–Hasselbalch equation.

Sa buffer, ang HA ug A⁻ parehong anaa sa dagkong gidaghanon, ug ang matag usa mopugong sa reaksyon sa lain sa tubig. Busa ang ilang mga konsentrasyon sa equilibrium halos parehas sa gidaghanon nga imong gisagol. Mao kana nganong mahimo nimong ibutang direkta ang giandam nga mga konsentrasyon sa equation nga walay ICE table.

Tungod kay ang duha ka kauban anaa sa parehas nga volume, ang ratio sa mga konsentrasyon parehas sa ratio sa mga mole. Mahimo nimong gamiton direkta ang mga mole, nga makadaginot og usa ka lakang human madugang ang acid o base.

• Kung [A⁻] = [HA], zero ang log nga termino ug pH = pKa.
• Ang matag napulo ka pilo nga pagtaas sa ratio sa base ngadto sa acid mopataas sa pH og usa ka yunit.
• Ang mas daghang conjugate base kaysa acid mohatag og pH nga labaw sa pKa; ang mas daghang acid mohatag og pH nga ubos niini.

Nasulbad nga ehemplo: ang pH sa acetate buffer

Ang usa ka buffer adunay 0.300 M nga CH₃COOH ug 0.250 M nga CH₃COONa. Ang Appendix H naghatag og Ka = 1.8 × 10⁻⁵, busa pKa = 4.745. Dayon pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Dad-a ang wala ma-round nga pKa hangtod sa katapusan. Ang pag-round niini una ngadto sa 4.74 mohatag og 4.66. Ang kalainan anaa sulod sa kawalay-kasiguruhan sa Ka nga adunay duha ka mahinungdanong digit, apan ang pag-round kausa sa katapusan nagpabilin sa imong mga tubag nga uyon sa answer key. Ang pH gamay nga ubos sa pKa, sama sa gipaabot, tungod kay adunay gamay nga mas daghang acid kaysa base.

Nasulbad nga ehemplo: pagdugang og lig-on nga acid, dayon lig-on nga base

Idugang ang 0.0200 mol nga HCl sa 1.00 L sa buffer sa ibabaw. Buhata una ang neutralization, isip lakang sa stoichiometry: ang H₃O⁺ mo-convert sa 0.0200 mol nga acetate ngadto sa acetic acid. Ang acetic acid mosaka gikan sa 0.300 ngadto sa 0.320 mol ug ang acetate mous-os gikan sa 0.250 ngadto sa 0.230 mol. Dayon pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. Ang pH mius-os gikan sa 4.67 ngadto sa 4.60, ubos sa ikanapulo sa usa ka yunit.

Ang pagdugang sa parehas nga 0.0200 mol nga HCl sa 1.00 L nga putli nga tubig mohatag og [H₃O⁺] = 0.0200 M ug pH nga 1.70, usa ka pag-us-os nga labaw sa lima ka yunit gikan sa neutral.

Karon idugang ang 0.0500 mol nga NaOH sa bag-ong 1.00 L sa orihinal nga buffer. Ang hydroxide mo-convert sa 0.0500 mol nga acetic acid ngadto sa acetate, nga magbilin og 0.250 mol nga acid ug 0.300 mol nga base. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, usa ka pagsaka gikan sa 4.67 nga ubos sa 0.2. Sa putli nga tubig ang parehas nga NaOH mohatag og pH 12.70.

Ang parehas nga lohika nagtugot kanimo sa paghimo og buffer pinaagi sa partial nga neutralization. Ang pagsagol sa 0.0400 mol nga acetic acid uban ang 0.0150 mol nga NaOH magbilin og 0.0250 mol nga acid ug 0.0150 mol nga acetate, busa pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, bisan unsa pa ang katapusang volume.

Pagdesinyo og buffer alang sa target nga pH

Una pagpili og conjugate pair kansang pKa anaa sulod sa usa ka yunit sa pH nga imong gusto. Dayon gamita ang Henderson–Hasselbalch nga balit-ad aron makit-an ang ratio, ug ang stoichiometry aron himoon ang ratio nga mga gidaghanon.

Nasulbad nga ehemplo. Pag-andam og pH 9.50 nga buffer gikan sa 500.0 mL sa 0.200 M nga ammonia pinaagi sa pagdugang og solid nga ammonium chloride. Ang acid nga kauban mao ang NH₄⁺. Gikan sa Appendix I, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, busa pKb = 4.745 ug pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Ang gikinahanglan nga ratio mao ang [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 nga gipataas sa (9.50 − 9.255) = 1.76.

Ang flask adunay 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol nga NH₃, busa nanginahanglan kini og 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol nga NH₄⁺. Uban sa M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, kana mga 3.0 g nga ammonium chloride, gi-report sa duha ka mahinungdanong digit tungod kay ang Kb adunay duha. Sa praktis susihon nimo dayon ang pH gamit ang calibrated nga metro ug i-adjust.

Buffer capacity ug ang mapuslanon nga range sa pH

Ang buffer range mao ang gilapdon sa pH diin maayong molihok ang buffer. Ang ratio nga 10:1 o 1:10 katumbas sa pH = pKa ± 1, ug sa gawas niana nga gilapdon ang usa ka kauban kulang kaayo aron mosuhop og daghan pang acid o base. Ang mga acetate buffer mapuslanon gikan sa mga pH 3.7 hangtod 5.7, ug ang mga ammonia buffer gikan sa mga 8.3 hangtod 10.3.

Ang buffer capacity mao ang gidaghanon sa acid o base nga masuhop sa buffer sa dili pa kaayo mausab ang pH niini. Nagdepende kini kung pila ang anaa sa matag kauban, dili lamang sa ilang ratio. Itandi ang duha ka acetate buffer, ang matag usa 1.00 L nga adunay parehas nga acid ug base. Ang duha nagsugod sa pH = pKa = 4.74. Uban sa 0.100 M sa matag usa, ang pagdugang og 0.00500 mol nga HCl mopaubos sa pH og 0.04, ngadto sa 4.70. Uban sa 0.0100 M sa matag usa, ang parehas nga pagdugang mopaubos niini og hapit katunga sa yunit, ngadto sa 4.27. Parehas ang ratio, apan ang dilute nga buffer adunay ikanapulo lamang sa capacity.

Mahurot ang buffer kung ang gidugang nga acid o base mogamit sa tanan sa usa ka kauban. Human niana, ang pH gitino sa sobra nga lig-on nga acid o base, ug kusog kini nga mausab.

Mga sayop nga maghimo sa tubag sa buffer nga sayop

Ang mga problema sa buffer nagsagol og duha ka matang sa pangatarungan: stoichiometry alang sa neutralization ug equilibrium alang sa pH. Ipabilin kini niana nga han-ay.

• Pagsulat sa ratio nga balit-ad. Base ibabaw sa acid kini: log([A⁻]/[HA]).
• Pagbutang sa gidugang nga HCl o NaOH sa Henderson–Hasselbalch equation sa dili pa buhaton ang lakang sa neutralization.
• Paggamit og pKb puli sa pKa alang sa ammonia buffer. I-convert gamit ang pKa + pKb = 14.00 sa 25 °C.
• Pagsagol og mga mole alang sa usa ka kauban ug konsentrasyon alang sa lain kung anaa sila sa lain-laing volume.
• Pagtuo nga molihok pa ang buffer human molapas ang gidugang nga acid o base sa gidaghanon sa usa ka kauban.
• Pagtratar sa huyang nga acid lamang, o huyang nga acid uban ang lig-on nga acid, isip buffer.