Բուֆերներ՝ ինչպես են թույլ թթուն և նրա համալուծ հիմքը կայուն պահում pH-ը

Երկու գործընկեր, որոնցից յուրաքանչյուրը չեզոքացնում է մեկ վտանգ

Վերցրեք քացախաթթվի՝ CH₃COOH-ի, և նատրիումի ացետատի խառնուրդ, որը տալիս է CH₃COO⁻։ Եթե ավելացվում է ուժեղ թթու, ացետատ իոնը կլանում է ավելցուկային պրոտոնները՝ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O։ Եթե ավելացվում է ուժեղ հիմք, քացախաթթուն չեզոքացնում է այն՝ CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O։

Երկու ռեակցիաներն էլ ընթանում են գործնականում մինչև վերջ, ուստի ավելացված ուժեղ թթուն կամ հիմքը վերածվում է թույլ գործընկերոջ լրացուցիչ քանակի։ pH-ը դեռ փոխվում է, քանի որ թթվի և հիմքի հարաբերությունը փոխվում է, բայց միայն թեթևակի։ Միայն թույլ թթվի լուծույթը դա անել չի կարող, քանի որ այն գրեթե չունի համալուծ հիմք՝ ավելացված թթուն կլանելու համար։

Տարածված բուֆերային զույգերից են քացախաթթուն և ացետատը, ամոնիումը և ամոնիակը, դիհիդրոֆոսֆատը և հիդրոֆոսֆատը, ածխաթթուն և հիդրոկարբոնատը։ Վերջին զույգն օգնում է մարդու արյան pH-ը պահել մոտ 7.4, ինչպես նկարագրում է OpenStax-ի 14.6 բաժինը։

Հենդերսոն–Հասելբալխի հավասարման արտածումը Ka-ի արտահայտությունից

Սկսեք Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]-ից և արտահայտեք հիդրոքսոնիումը՝ [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]։ Երկու կողմերից վերցրեք −log՝ ստանալու համար pH = pKa + log([A⁻]/[HA])։ Սա Հենդերսոն–Հասելբալխի հավասարումն է։

Բուֆերում և՛ HA-ն, և՛ A⁻-ը առկա են զգալի քանակներով, և յուրաքանչյուրը ճնշում է մյուսի ռեակցիան ջրի հետ։ Հետևաբար նրանց հավասարակշռային կոնցենտրացիաները գրեթե հավասար են ձեր խառնած քանակներին։ Ահա թե ինչու կարող եք պատրաստված կոնցենտրացիաներն անմիջապես տեղադրել հավասարման մեջ՝ առանց ICE աղյուսակի։

Քանի որ երկու գործընկերները գտնվում են նույն ծավալում, կոնցենտրացիաների հարաբերությունը հավասար է մոլերի հարաբերությանը։ Կարող եք ուղղակիորեն օգտագործել մոլերը, ինչը թթու կամ հիմք ավելացնելուց հետո խնայում է մեկ քայլ։

• Երբ [A⁻] = [HA], լոգարիթմական անդամը զրո է, և pH = pKa։
• Հիմք–թթու հարաբերության յուրաքանչյուր տասնապատիկ աճ pH-ը բարձրացնում է մեկ միավորով։
• Թթվից ավելի շատ համալուծ հիմքը տալիս է pKa-ից բարձր pH. ավելի շատ թթուն տալիս է դրանից ցածր pH։

Լուծված օրինակ՝ ացետատային բուֆերի pH-ը

Բուֆերը պարունակում է 0.300 M CH₃COOH և 0.250 M CH₃COONa։ Հավելված H-ը տալիս է Ka = 1.8 × 10⁻⁵, ուստի pKa = 4.745։ Այդ դեպքում pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67։

Չկլորացված pKa-ն պահեք մինչև վերջ։ Այն նախապես մինչև 4.74 կլորացնելը տալիս է 4.66։ Տարբերությունը գտնվում է երկու նշանակալի թվանշանով Ka-ի անորոշության սահմաններում, բայց միայն վերջում մեկ անգամ կլորացնելը ձեր պատասխանները համաձայնեցված է պահում պատասխանների բանալու հետ։ pH-ը pKa-ից մի փոքր ցածր է, ինչպես սպասվում էր, քանի որ թթուն մի փոքր ավելի շատ է, քան հիմքը։

Լուծված օրինակ՝ ուժեղ թթվի, ապա ուժեղ հիմքի ավելացում

Վերևի բուֆերի 1.00 L-ին ավելացրեք 0.0200 mol HCl։ Նախ կատարեք չեզոքացումը որպես ստոյխիոմետրիական քայլ. H₃O⁺-ը 0.0200 mol ացետատ վերածում է քացախաթթվի։ Քացախաթթուն աճում է 0.300-ից մինչև 0.320 mol, իսկ ացետատը նվազում է 0.250-ից մինչև 0.230 mol։ Այդ դեպքում pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60։ pH-ը 4.67-ից իջավ 4.60՝ միավորի տասներորդից պակաս։

Նույն 0.0200 mol HCl-ը 1.00 L մաքուր ջրին ավելացնելը կտար [H₃O⁺] = 0.0200 M և pH 1.70՝ չեզոքից ավելի քան հինգ միավոր անկում։

Այժմ սկզբնական բուֆերի նոր 1.00 L-ին ավելացրեք 0.0500 mol NaOH։ Հիդրօքսիդը 0.0500 mol քացախաթթու վերածում է ացետատի՝ թողնելով 0.250 mol թթու և 0.300 mol հիմք։ pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82՝ 4.67-ից 0.2-ից պակաս բարձրացում։ Մաքուր ջրում նույն NaOH-ը կտար pH 12.70։

Նույն տրամաբանությունը թույլ է տալիս բուֆեր պատրաստել մասնակի չեզոքացմամբ։ 0.0400 mol քացախաթթուն 0.0150 mol NaOH-ի հետ խառնելը թողնում է 0.0250 mol թթու և 0.0150 mol ացետատ, ուստի pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52՝ անկախ վերջնական ծավալից։

Բուֆերի կազմումը նպատակային pH-ի համար

Նախ ընտրեք համալուծ զույգ, որի pKa-ն ցանկալի pH-ից մեկ միավորի սահմաններում է։ Այնուհետև Հենդերսոն–Հասելբալխի հավասարումը կիրառեք հակառակ ուղղությամբ՝ հարաբերությունը գտնելու համար, իսկ ստոյխիոմետրիան՝ հարաբերությունը քանակների վերածելու համար։

Լուծված օրինակ։ Պատրաստեք pH 9.50 բուֆեր 0.200 M ամոնիակի 500.0 mL-ից՝ ավելացնելով պինդ ամոնիումի քլորիդ։ Թթվային գործընկերը NH₄⁺-ն է։ Հավելված I-ից՝ Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, ուստի pKb = 4.745 և pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255։ Պահանջվող հարաբերությունը [NH₃]/[NH₄⁺] = 10-ի (9.50 − 9.255) աստիճանը = 1.76 է։

Կոլբան պարունակում է 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃, ուստի անհրաժեշտ է 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺։ M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol-ի դեպքում դա մոտ 3.0 g ամոնիումի քլորիդ է՝ նշված երկու նշանակալի թվանշանով, քանի որ Kb-ն ունի երկուսը։ Գործնականում այնուհետև կստուգեիք pH-ը տրամաչափված pH-մետրով և կճշգրտեիք։

Բուֆերային տարողություն և օգտակար pH տիրույթ

Բուֆերային տիրույթն այն pH միջակայքն է, որտեղ բուֆերը լավ է աշխատում։ 10:1 կամ 1:10 հարաբերությունը համապատասխանում է pH = pKa ± 1-ին, և այդ միջակայքից դուրս գործընկերներից մեկը չափազանց քիչ է՝ ավելի շատ թթու կամ հիմք կլանելու համար։ Ացետատային բուֆերները օգտակար են մոտ pH 3.7-ից 5.7, իսկ ամոնիակային բուֆերները՝ մոտ 8.3-ից 10.3։

Բուֆերային տարողությունը թթվի կամ հիմքի այն քանակն է, որը բուֆերը կարող է կլանել, նախքան նրա pH-ը զգալիորեն կփոխվի։ Այն կախված է նրանից, թե յուրաքանչյուր գործընկերից որքան կա, այլ ոչ միայն նրանց հարաբերությունից։ Համեմատեք երկու ացետատային բուֆեր, յուրաքանչյուրը 1.00 L՝ հավասար թթվով և հիմքով։ Երկուսն էլ սկսում են pH = pKa = 4.74-ից։ Յուրաքանչյուրից 0.100 M-ի դեպքում 0.00500 mol HCl ավելացնելը pH-ն իջեցնում է 0.04-ով՝ մինչև 4.70։ Յուրաքանչյուրից 0.0100 M-ի դեպքում նույն ավելացումն այն իջեցնում է գրեթե կես միավորով՝ մինչև 4.27։ Հարաբերությունը նույնն էր, բայց նոսր բուֆերն ուներ տարողության մեկ տասներորդը։

Բուֆերը սպառվում է, երբ ավելացված թթուն կամ հիմքը ծախսում է գործընկերներից մեկն ամբողջությամբ։ Դրանից հետո pH-ը որոշվում է ուժեղ թթվի կամ հիմքի ավելցուկով և կտրուկ փոխվում է։

Սխալներ, որոնք բուֆերի պատասխանը սխալ են դարձնում

Բուֆերային խնդիրները համատեղում են դատողության երկու տեսակ՝ ստոյխիոմետրիա չեզոքացման համար և հավասարակշռություն pH-ի համար։ Պահպանեք այդ հերթականությունը։

• Հարաբերությունը գրել շրջված։ Այն հիմք՝ բաժանած թթվի է՝ log([A⁻]/[HA])։
• Ավելացված HCl-ը կամ NaOH-ը տեղադրել Հենդերսոն–Հասելբալխի հավասարման մեջ՝ նախքան չեզոքացման քայլը կատարելը։
• Ամոնիակային բուֆերի համար pKa-ի փոխարեն օգտագործել pKb։ Փոխարկեք pKa + pKb = 14.00 առնչությամբ 25 °C-ում։
• Մի գործընկերոջ համար մոլերը խառնել մյուսի կոնցենտրացիայի հետ, երբ դրանք տարբեր ծավալներում են։
• Ենթադրել, որ բուֆերը դեռ աշխատում է, երբ ավելացված թթուն կամ հիմքը գերազանցել է գործընկերներից մեկի քանակը։
• Միայն թույլ թթուն կամ թույլ թթուն ուժեղ թթվի հետ համարել բուֆեր։