Puhverlahused: kuidas nõrk hape ja selle konjugeeritud alus hoiavad pH stabiilsena

Kaks partnerit, millest kumbki neutraliseerib ühe ohu

Võta äädikhappe CH₃COOH ja naatriumatsetaadi segu, millest saadakse CH₃COO⁻. Kui lisatakse tugevat hapet, seob atsetaatioon lisaprootonid: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Kui lisatakse tugevat alust, neutraliseerib selle äädikhape: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Mõlemad reaktsioonid kulgevad praktiliselt lõpuni, seega muudetakse lisatud tugev hape või alus nõrga partneri lisakoguseks. pH muutub siiski, sest happe ja aluse suhe muutub, kuid ainult veidi. Ainult nõrga happe lahus ei suuda seda teha, sest sellel ei ole peaaegu üldse konjugeeritud alust, mis lisatud hapet seoks.

Levinud puhverpaarid on äädikhape ja atsetaat, ammoonium ja ammoniaak, divesinikfosfaat ja vesinikfosfaat ning süsihape ja vesinikkarbonaat. Viimane paar aitab hoida inimese vere pH ligikaudu väärtusel 7.4, nagu kirjeldab OpenStaxi alajaotis 14.6.

Hendersoni–Hasselbalchi võrrandi tuletamine Ka avaldisest

Alusta avaldisest Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] ja avalda hüdroonium: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Võta mõlemast poolest −log, et saada pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). See on Hendersoni–Hasselbalchi võrrand.

Puhverlahuses on nii HA kui A⁻ olemas märkimisväärses koguses ja kumbki pärsib teise reaktsiooni veega. Seetõttu on nende tasakaalulised kontsentratsioonid peaaegu võrdsed segatud kogustega. Sellepärast võid valmistamisel kasutatud kontsentratsioonid panna otse võrrandisse ilma ICE-tabelita.

Kuna mõlemad partnerid on samas ruumalas, on kontsentratsioonide suhe võrdne moolide suhtega. Võid kasutada otse moole, mis säästab pärast happe või aluse lisamist ühe sammu.

• Kui [A⁻] = [HA], on logaritmiline liige null ja pH = pKa.
• Iga kümnekordne aluse ja happe suhte suurenemine tõstab pH-d ühe ühiku võrra.
• Kui konjugeeritud alust on rohkem kui hapet, on pH üle pKa; kui hapet on rohkem, on pH sellest allpool.

Lahendatud näide: atsetaatpuhvri pH

Puhverlahus sisaldab 0.300 M CH₃COOH ja 0.250 M CH₃COONa. Lisa H annab Ka = 1.8 × 10⁻⁵, seega pKa = 4.745. Siis pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Kasuta ümardamata pKa väärtust lõpuni. Kui see esmalt ümardada väärtuseni 4.74, saadakse 4.66. Erinevus jääb kahe tüvenumbriga Ka määramatuse piiresse, kuid ühekordne ümardamine lõpus hoiab su vastused kooskõlas vastuste võtmega. pH on oodatult veidi alla pKa, sest hapet on veidi rohkem kui alust.

Lahendatud näide: tugeva happe ja seejärel tugeva aluse lisamine

Lisa 0.0200 mol HCl 1.00 L-le ülaltoodud puhverlahusele. Tee esmalt neutraliseerimine stöhhiomeetrilise sammuna: H₃O⁺ muudab 0.0200 mol atsetaati äädikhappeks. Äädikhappe hulk suureneb 0.300-lt 0.320 mol-ni ja atsetaadi hulk väheneb 0.250-lt 0.230 mol-ni. Siis pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH langes 4.67-lt 4.60-le, vähem kui kümnendiku ühiku võrra.

Sama 0.0200 mol HCl lisamine 1.00 L-le puhtale veele annaks [H₃O⁺] = 0.0200 M ja pH 1.70, mis on neutraalsest langus enam kui viie ühiku võrra.

Nüüd lisa 0.0500 mol NaOH uuele 1.00 L-le algsele puhverlahusele. Hüdroksiid muudab 0.0500 mol äädikhapet atsetaadiks, jättes alles 0.250 mol hapet ja 0.300 mol alust. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, mis on tõus 4.67-lt vähem kui 0.2 võrra. Puhtas vees annaks sama NaOH pH 12.70.

Sama loogika võimaldab valmistada puhverlahust osalise neutraliseerimisega. 0.0400 mol äädikhappe segamine 0.0150 mol NaOH-ga jätab alles 0.0250 mol hapet ja 0.0150 mol atsetaati, seega pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, olenemata lõppruumalast.

Puhverlahuse koostamine soovitud pH jaoks

Vali esmalt konjugeeritud paar, mille pKa jääb soovitud pH-st ühe ühiku piiresse. Seejärel kasuta Hendersoni–Hasselbalchi võrrandit tagurpidi, et leida suhe, ja stöhhiomeetriat, et muuta suhe kogusteks.

Lahendatud näide. Valmista pH 9.50 puhverlahus 500.0 mL-st 0.200 M ammoniaagist, lisades tahket ammooniumkloriidi. Happeline partner on NH₄⁺. Lisa I järgi Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, seega pKb = 4.745 ja pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Vajalik suhe on [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 astmes (9.50 − 9.255) = 1.76.

Kolvis on 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃, seega on vaja 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺. Kui M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, on see umbes 3.0 g ammooniumkloriidi, esitatuna kahe tüvenumbriga, sest Kb-l on kaks. Praktikas kontrolliksid seejärel pH-d kalibreeritud pH-meetriga ja korrigeeriksid.

Puhvermahtuvus ja kasulik pH vahemik

Puhvri toimevahemik on pH vahemik, milles puhverlahus hästi töötab. Suhe 10:1 või 1:10 vastab väärtusele pH = pKa ± 1 ja väljaspool seda vahemikku on ühte partnerit liiga vähe, et palju lisahapet või -alust siduda. Atsetaatpuhvrid on kasulikud umbes pH 3.7 kuni 5.7 ja ammoniaakpuhvrid umbes 8.3 kuni 10.3 juures.

Puhvermahtuvus on happe või aluse hulk, mida puhverlahus suudab siduda, enne kui selle pH oluliselt muutub. See sõltub sellest, kui palju kumbagi partnerit on, mitte ainult nende suhtest. Võrdle kahte atsetaatpuhvrit, kumbki 1.00 L ning võrdse happe ja aluse sisaldusega. Mõlema algne pH = pKa = 4.74. Kui kumbagi on 0.100 M, alandab 0.00500 mol HCl lisamine pH-d 0.04 võrra, väärtuseni 4.70. Kui kumbagi on 0.0100 M, alandab sama lisamine seda peaaegu poole ühiku võrra, väärtuseni 4.27. Suhe oli sama, kuid lahjema puhverlahuse mahtuvus oli kümnendik.

Puhverlahus on ammendunud, kui lisatud hape või alus kulutab ühe partneri täielikult ära. Pärast seda määrab pH tugeva happe või aluse liig ja see muutub järsult.

Vead, mis muudavad puhverlahuse vastuse valeks

Puhverlahuse ülesanded ühendavad kahte liiki arutluskäiku: stöhhiomeetriat neutraliseerimise jaoks ja tasakaalu pH jaoks. Hoia need selles järjekorras.

• Suhte tagurpidi kirjutamine. See on alus jagatud happega: log([A⁻]/[HA]).
• Lisatud HCl või NaOH panemine Hendersoni–Hasselbalchi võrrandisse enne neutraliseerimissammu tegemist.
• pKb kasutamine pKa asemel ammoniaakpuhvri puhul. Teisenda seosega pKa + pKb = 14.00 temperatuuril 25 °C.
• Ühe partneri moolide segamine teise kontsentratsiooniga, kui need on erinevates ruumalades.
• Eeldus, et puhverlahus töötab ka siis, kui lisatud happe või aluse hulk ületab ühe partneri hulka.
• Ainult nõrga happe või nõrga happe ja tugeva happe segu käsitlemine puhverlahusena.