Mga Buffer: Kung Paano Pinananatiling Matatag ng Mahinang Acid at ng Conjugate Base Nito ang pH

Dalawang magkapares na tig-isang nagne-neutralize ng banta

Kumuha ng halo ng acetic acid, CH₃COOH, at sodium acetate, na nagbibigay ng CH₃COO⁻. Kung dinagdagan ng malakas na acid, tinatanggap ng acetate ion ang mga dagdag na proton: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Kung dinagdagan ng malakas na base, ne-neutralize ito ng acetic acid: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Halos umaabot sa pagkakumpleto ang dalawang reaksyon, kaya nagiging mas marami pang mahinang kapares ang idinagdag na malakas na acid o base. Gumagalaw pa rin ang pH, dahil nagbabago ang ratio ng acid sa base, ngunit bahagya lang. Hindi ito kayang gawin ng solusyon ng mahinang acid lang, dahil halos wala itong conjugate base na sasalo sa idinagdag na acid.

Kabilang sa mga karaniwang pares ng buffer ang acetic acid at acetate, ammonium at ammonia, dihydrogen phosphate at hydrogen phosphate, at carbonic acid at hydrogen carbonate. Tumutulong ang huling pares na panatilihin ang dugo ng tao malapit sa pH 7.4, gaya ng inilalarawan ng OpenStax section 14.6.

Paghango sa Henderson–Hasselbalch mula sa expression ng Ka

Magsimula sa Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] at lutasin para sa hydronium: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Kunin ang −log ng dalawang panig para makuha ang pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Ito ang Henderson–Hasselbalch equation.

Sa isang buffer, naroroon ang HA at A⁻ sa malalaking dami, at pinipigilan ng bawat isa ang reaksyon ng isa pa sa tubig. Kaya halos katumbas ng mga daming hinalo mo ang mga konsentrasyon nila sa equilibrium. Iyan ang dahilan kung bakit maaari mong ilagay nang direkta sa equation ang mga inihandang konsentrasyon nang walang ICE table.

Dahil nasa parehong volume ang dalawang kapares, katumbas ng ratio ng mga mole ang ratio ng mga konsentrasyon. Maaari mong gamitin nang direkta ang mga mole, na nakakatipid ng isang hakbang matapos idagdag ang acid o base.

• Kapag [A⁻] = [HA], zero ang termino ng log at pH = pKa.
• Ang bawat sampung beses na pagtaas sa ratio ng base sa acid ay nagpapataas sa pH nang isang unit.
• Ang mas maraming conjugate base kaysa sa acid ay nagbibigay ng pH na higit sa pKa; ang mas maraming acid ay nagbibigay ng pH na mas mababa rito.

Halimbawang may solusyon: ang pH ng isang acetate buffer

Ang isang buffer ay may 0.300 M CH₃COOH at 0.250 M CH₃COONa. Ibinibigay ng Appendix H ang Ka = 1.8 × 10⁻⁵, kaya pKa = 4.745. Kung gayon, pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Dalhin ang hindi ni-round na pKa hanggang sa dulo. Ang pag-round muna rito sa 4.74 ay nagbibigay ng 4.66. Nasa loob ng uncertainty ng Ka na may dalawang mahalagang digit ang pagkakaiba, ngunit ang minsanang pag-round sa dulo ay nagpapanatiling tugma ang mga sagot mo sa answer key. Bahagyang mas mababa sa pKa ang pH, gaya ng inaasahan, dahil bahagyang mas marami ang acid kaysa sa base.

Halimbawang may solusyon: pagdaragdag ng malakas na acid, at saka ng malakas na base

Magdagdag ng 0.0200 mol HCl sa 1.00 L ng buffer sa itaas. Gawin muna ang neutralization, bilang hakbang ng stoichiometry: ginagawang acetic acid ng H₃O⁺ ang 0.0200 mol na acetate. Tumataas ang acetic acid mula 0.300 hanggang 0.320 mol at bumababa ang acetate mula 0.250 hanggang 0.230 mol. Kung gayon, pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. Bumaba ang pH mula 4.67 hanggang 4.60, mas mababa sa ikasampu ng isang unit.

Ang pagdaragdag ng parehong 0.0200 mol HCl sa 1.00 L ng purong tubig ay magbibigay ng [H₃O⁺] = 0.0200 M at pH na 1.70, isang pagbaba na mahigit limang unit mula sa neutral.

Ngayon, magdagdag ng 0.0500 mol NaOH sa bagong 1.00 L ng orihinal na buffer. Ginagawang acetate ng hydroxide ang 0.0500 mol na acetic acid, kaya natitira ang 0.250 mol na acid at 0.300 mol na base. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, isang pagtaas mula 4.67 na mas mababa sa 0.2. Sa purong tubig, ang parehong NaOH ay magbibigay ng pH 12.70.

Ang parehong lohika ay nagpapahintulot sa iyong gumawa ng buffer sa pamamagitan ng bahagyang neutralization. Ang paghahalo ng 0.0400 mol na acetic acid sa 0.0150 mol NaOH ay nag-iiwan ng 0.0250 mol na acid at 0.0150 mol na acetate, kaya pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, anuman ang huling volume.

Pagdidisenyo ng buffer para sa target na pH

Pumili muna ng conjugate pair na ang pKa ay nasa loob ng isang unit ng pH na gusto mo. Pagkatapos, gamitin nang pabaligtad ang Henderson–Hasselbalch para mahanap ang ratio, at ang stoichiometry para gawing mga dami ang ratio.

Halimbawang may solusyon. Maghanda ng buffer na pH 9.50 mula sa 500.0 mL ng 0.200 M na ammonia sa pamamagitan ng pagdaragdag ng solid na ammonium chloride. Ang acid na kapares ay NH₄⁺. Mula sa Appendix I, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, kaya pKb = 4.745 at pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Ang kailangang ratio ay [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 na itinaas sa (9.50 − 9.255) = 1.76.

May 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ ang flask, kaya kailangan nito ng 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺. Sa M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, iyan ay mga 3.0 g ng ammonium chloride, na iniulat sa dalawang mahalagang digit dahil may dalawa ang Kb. Sa praktika, susuriin mo pagkatapos ang pH gamit ang calibrated na metro at aayusin ito.

Buffer capacity at ang kapaki-pakinabang na saklaw ng pH

Ang buffer range ay ang saklaw ng pH kung saan mahusay na gumagana ang buffer. Ang ratio na 10:1 o 1:10 ay tumutugma sa pH = pKa ± 1, at sa labas ng saklaw na iyon, masyadong kaunti ang isang kapares para makasalo pa ng mas maraming acid o base. Kapaki-pakinabang ang mga acetate buffer mula mga pH 3.7 hanggang 5.7, at ang mga ammonia buffer mula mga 8.3 hanggang 10.3.

Ang buffer capacity ay ang dami ng acid o base na kayang saluhin ng buffer bago lubhang magbago ang pH nito. Nakadepende ito sa dami ng bawat kapares na naroroon, hindi lang sa ratio nila. Ihambing ang dalawang acetate buffer, bawat isa ay 1.00 L na may magkapantay na acid at base. Parehong nagsisimula sa pH = pKa = 4.74. Sa 0.100 M ng bawat isa, ibinababa ng pagdaragdag ng 0.00500 mol HCl ang pH nang 0.04, sa 4.70. Sa 0.0100 M ng bawat isa, ibinababa ito ng parehong pagdaragdag nang halos kalahating unit, sa 4.27. Pareho ang ratio, ngunit ikasampu lang ng capacity ang mayroon ang dilute na buffer.

Ubos na ang buffer kapag inubos ng idinagdag na acid o base ang buong isang kapares. Pagkatapos noon, itinatakda ang pH ng sobrang malakas na acid o base, at matindi ang pagbabago nito.

Mga pagkakamaling nagpapamali sa sagot sa buffer

Pinaghahalo ng mga problema sa buffer ang dalawang uri ng pangangatwiran: stoichiometry para sa neutralization at equilibrium para sa pH. Panatilihin sila sa ganoong pagkakasunod-sunod.

• Pagsulat sa ratio nang pabaligtad. Base sa ibabaw ng acid ito: log([A⁻]/[HA]).
• Paglalagay ng idinagdag na HCl o NaOH sa Henderson–Hasselbalch equation bago gawin ang hakbang ng neutralization.
• Paggamit ng pKb sa halip na pKa para sa ammonia buffer. Mag-convert gamit ang pKa + pKb = 14.00 sa 25 °C.
• Paghahalo ng mga mole para sa isang kapares at konsentrasyon para sa isa pa kapag nasa magkaibang volume sila.
• Pag-aakalang gumagana pa rin ang buffer matapos lumampas ang idinagdag na acid o base sa dami ng isang kapares.
• Pagturing sa mahinang acid lang, o sa mahinang acid na may malakas na acid, bilang buffer.