બફર: નિર્બળ ઍસિડ અને તેનો સંયુગ્મી બેઝ pH ને સ્થિર કેવી રીતે રાખે છે

બે સાથીઓ, જે દરેક એક જોખમને તટસ્થ કરે છે

એસિટિક ઍસિડ, CH₃COOH, અને CH₃COO⁻ પૂરો પાડતા સોડિયમ એસિટેટનું મિશ્રણ લો. જો પ્રબળ ઍસિડ ઉમેરવામાં આવે, તો એસિટેટ આયન વધારાના પ્રોટૉન લઈ લે છે: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. જો પ્રબળ બેઝ ઉમેરવામાં આવે, તો એસિટિક ઍસિડ તેને તટસ્થ કરે છે: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

બંને પ્રક્રિયાઓ મૂળભૂત રીતે પૂર્ણ થાય છે, તેથી ઉમેરેલો પ્રબળ ઍસિડ કે બેઝ નિર્બળ સાથીના વધુ જથ્થામાં ફેરવાય છે. pH તો પણ ખસે છે, કારણ કે ઍસિડ અને બેઝનો ગુણોત્તર બદલાય છે, પરંતુ માત્ર સહેજ. એકલા નિર્બળ ઍસિડનું દ્રાવણ આ કરી શકતું નથી, કારણ કે ઉમેરેલો ઍસિડ શોષવા માટે તેમાં લગભગ કોઈ સંયુગ્મી બેઝ નથી.

સામાન્ય બફર જોડમાં એસિટેટ સાથે એસિટિક ઍસિડ, એમોનિયા સાથે એમોનિયમ, હાઇડ્રોજન ફૉસ્ફેટ સાથે ડાયહાઇડ્રોજન ફૉસ્ફેટ, અને હાઇડ્રોજન કાર્બોનેટ સાથે કાર્બોનિક ઍસિડનો સમાવેશ થાય છે. છેલ્લી જોડ માનવ લોહીને pH 7.4 ની નજીક રાખવામાં મદદ કરે છે, જેમ OpenStax વિભાગ 14.6 વર્ણવે છે.

Ka ની અભિવ્યક્તિ પરથી હેન્ડરસન–હેસલબાખ તારવવું

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] થી શરૂ કરો અને હાઇડ્રોનિયમ માટે ઉકેલો: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. બંને બાજુનો −log લેતાં pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) મળે છે. આ હેન્ડરસન–હેસલબાખ સમીકરણ છે.

બફરમાં, HA અને A⁻ બંને નોંધપાત્ર જથ્થામાં હાજર હોય છે, અને દરેક બીજાની પાણી સાથેની પ્રક્રિયાને દબાવે છે. તેથી તેમની સંતુલન સાંદ્રતાઓ તમે મિશ્ર કરેલા જથ્થા જેટલી જ લગભગ હોય છે. એટલે જ તમે ICE કોષ્ટક વિના તૈયાર કરેલી સાંદ્રતાઓ સીધી સમીકરણમાં મૂકી શકો છો.

બંને સાથીઓ એક જ કદમાં હોવાથી, સાંદ્રતાઓનો ગુણોત્તર મોલના ગુણોત્તર બરાબર હોય છે. તમે સીધા મોલ વાપરી શકો છો, જે ઍસિડ કે બેઝ ઉમેર્યા પછી એક પગલું બચાવે છે.

• જ્યારે [A⁻] = [HA], ત્યારે log પદ શૂન્ય હોય છે અને pH = pKa.
• બેઝ-થી-ઍસિડ ગુણોત્તરમાં દરેક દસ ગણો વધારો pH ને એક એકમ વધારે છે.
• ઍસિડ કરતાં વધુ સંયુગ્મી બેઝ pKa થી ઉપર pH આપે છે; વધુ ઍસિડ તેનાથી નીચે pH આપે છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: એસિટેટ બફરનો pH

એક બફરમાં 0.300 M CH₃COOH અને 0.250 M CH₃COONa છે. પરિશિષ્ટ H, Ka = 1.8 × 10⁻⁵ આપે છે, તેથી pKa = 4.745. પછી pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

અંત સુધી પૂર્ણાંકિત ન કરેલો pKa સાથે રાખો. તેને પહેલાં 4.74 સુધી પૂર્ણાંકિત કરવાથી 4.66 મળે છે. આ તફાવત બે સાર્થક અંકોવાળા Ka ની અનિશ્ચિતતાની અંદર છે, પરંતુ અંતે એક જ વાર પૂર્ણાંકન કરવાથી તમારા જવાબો ઉત્તરપત્ર સાથે સુસંગત રહે છે. અપેક્ષા મુજબ pH એ pKa થી સહેજ નીચે છે, કારણ કે બેઝ કરતાં ઍસિડ થોડો વધુ છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: પ્રબળ ઍસિડ ઉમેરવો, પછી પ્રબળ બેઝ

ઉપરના બફરના 1.00 L માં 0.0200 mol HCl ઉમેરો. પહેલાં તટસ્થીકરણ સ્ટોઇકિયોમેટ્રી પગલા તરીકે કરો: H₃O⁺ એ 0.0200 mol એસિટેટને એસિટિક ઍસિડમાં ફેરવે છે. એસિટિક ઍસિડ 0.300 થી વધીને 0.320 mol થાય છે અને એસિટેટ 0.250 થી ઘટીને 0.230 mol થાય છે. પછી pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67 થી ઘટીને 4.60 થયો, જે એક એકમના દસમા ભાગ કરતાં ઓછું છે.

એ જ 0.0200 mol HCl શુદ્ધ પાણીના 1.00 L માં ઉમેરવાથી [H₃O⁺] = 0.0200 M અને 1.70 નો pH મળે, જે તટસ્થથી પાંચ એકમ કરતાં વધુ ઘટાડો છે.

હવે મૂળ બફરના નવા 1.00 L માં 0.0500 mol NaOH ઉમેરો. હાઇડ્રૉક્સાઇડ 0.0500 mol એસિટિક ઍસિડને એસિટેટમાં ફેરવે છે, અને 0.250 mol ઍસિડ તથા 0.300 mol બેઝ બાકી રહે છે. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, જે 4.67 થી 0.2 કરતાં ઓછો વધારો છે. શુદ્ધ પાણીમાં એ જ NaOH pH 12.70 આપે.

આ જ તર્ક તમને આંશિક તટસ્થીકરણ વડે બફર બનાવવા દે છે. 0.0400 mol એસિટિક ઍસિડને 0.0150 mol NaOH સાથે મિશ્ર કરવાથી 0.0250 mol ઍસિડ અને 0.0150 mol એસિટેટ બાકી રહે છે, તેથી અંતિમ કદ ગમે તે હોય, pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

લક્ષ્ય pH માટે બફર રચવું

પહેલાં એવી સંયુગ્મી જોડ પસંદ કરો જેનો pKa તમે ઇચ્છો છો તે pH ની એક એકમની અંદર હોય. પછી ગુણોત્તર શોધવા હેન્ડરસન–હેસલબાખ ઊલટી દિશામાં વાપરો, અને ગુણોત્તરને જથ્થામાં ફેરવવા સ્ટોઇકિયોમેટ્રી વાપરો.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ. 0.200 M એમોનિયાના 500.0 mL માં ઘન એમોનિયમ ક્લોરાઇડ ઉમેરીને pH 9.50 નું બફર તૈયાર કરો. ઍસિડ સાથી NH₄⁺ છે. પરિશિષ્ટ I પરથી, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, તેથી pKb = 4.745 અને pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. જરૂરી ગુણોત્તર [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 ની (9.50 − 9.255) ઘાત = 1.76 છે.

ફ્લાસ્કમાં 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ છે, તેથી તેને 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ જોઈએ. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol સાથે, તે આશરે 3.0 g એમોનિયમ ક્લોરાઇડ છે, જે બે સાર્થક અંકો સુધી દર્શાવાય છે કારણ કે Kb માં બે છે. વ્યવહારમાં તમે પછી કૅલિબ્રેટ કરેલા મીટર વડે pH ચકાસશો અને ગોઠવણ કરશો.

બફર ક્ષમતા અને ઉપયોગી pH ગાળો

બફર ગાળો એ pH નો વિસ્તાર છે જેમાં બફર સારી રીતે કામ કરે છે. 10:1 કે 1:10 નો ગુણોત્તર pH = pKa ± 1 ને અનુરૂપ છે, અને એ વિસ્તારની બહાર એક સાથી એટલો ઓછો હોય છે કે તે વધુ ઍસિડ કે બેઝ શોષી શકતો નથી. એસિટેટ બફર આશરે pH 3.7 થી 5.7 સુધી, અને એમોનિયા બફર આશરે 8.3 થી 10.3 સુધી ઉપયોગી છે.

બફર ક્ષમતા એ ઍસિડ કે બેઝનો એટલો જથ્થો છે જે બફર તેનો pH ઘણો બદલાય તે પહેલાં શોષી શકે. તે માત્ર બંને સાથીઓના ગુણોત્તર પર નહીં, પણ દરેક કેટલો હાજર છે તેના પર આધાર રાખે છે. બે એસિટેટ બફરની સરખામણી કરો, દરેક 1.00 L અને સમાન ઍસિડ અને બેઝવાળું. બંને pH = pKa = 4.74 થી શરૂ થાય છે. દરેકના 0.100 M સાથે, 0.00500 mol HCl ઉમેરવાથી pH 0.04 ઘટીને 4.70 થાય છે. દરેકના 0.0100 M સાથે, એ જ ઉમેરણ તેને લગભગ અડધો એકમ ઘટાડીને 4.27 કરે છે. ગુણોત્તર સરખો હતો, પરંતુ મંદ બફરની ક્ષમતા દસમા ભાગ જેટલી હતી.

જ્યારે ઉમેરેલો ઍસિડ કે બેઝ એક સાથીનો આખો જથ્થો વાપરી નાખે ત્યારે બફર ખલાસ થઈ જાય છે. ત્યાર પછી, pH વધારાના પ્રબળ ઍસિડ કે બેઝ વડે નક્કી થાય છે, અને તે તીવ્રપણે બદલાય છે.

બફરના જવાબને ખોટો પાડતી ભૂલો

બફરના પ્રશ્નો બે પ્રકારના તર્કને ભેળવે છે: તટસ્થીકરણ માટે સ્ટોઇકિયોમેટ્રી અને pH માટે સંતુલન. તેમને એ જ ક્રમમાં રાખો.

• ગુણોત્તર ઊંધો લખવો. તે બેઝ ભાગ્યા ઍસિડ છે: log([A⁻]/[HA]).
• તટસ્થીકરણનું પગલું કરતાં પહેલાં ઉમેરેલા HCl કે NaOH ને હેન્ડરસન–હેસલબાખ સમીકરણમાં મૂકવા.
• એમોનિયા બફર માટે pKa ની જગ્યાએ pKb વાપરવો. 25 °C પર pKa + pKb = 14.00 વડે રૂપાંતર કરો.
• બંને સાથીઓ જુદાં કદમાં હોય ત્યારે એક સાથી માટે મોલ અને બીજા માટે સાંદ્રતા ભેળવવી.
• ઉમેરેલો ઍસિડ કે બેઝ એક સાથીના જથ્થાથી વધી જાય પછી પણ બફર કામ કરે છે એમ માની લેવું.
• એકલા નિર્બળ ઍસિડને, કે પ્રબળ ઍસિડ સાથેના નિર્બળ ઍસિડને, બફર ગણવું.