ბუფერები: როგორ ინარჩუნებს სუსტი მჟავა და მისი შეუღლებული ფუძე pH-ს მუდმივად

ორი პარტნიორი, რომელთაგან თითოეული ერთ საფრთხეს ანეიტრალებს

აიღეთ ძმარმჟავას, CH₃COOH, და ნატრიუმის აცეტატის ნარევი, რომელიც CH₃COO⁻-ს იძლევა. თუ ძლიერი მჟავა ემატება, აცეტატის იონი ზედმეტ პროტონებს იერთებს: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. თუ ძლიერი ფუძე ემატება, ძმარმჟავა მას ანეიტრალებს: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

ორივე რეაქცია პრაქტიკულად ბოლომდე მიდის, ამიტომ დამატებული ძლიერი მჟავა ან ფუძე სუსტი პარტნიორის დამატებით რაოდენობად გარდაიქმნება. pH მაინც იცვლება, რადგან მჟავისა და ფუძის თანაფარდობა იცვლება, მაგრამ მხოლოდ ოდნავ. მხოლოდ სუსტი მჟავას ხსნარს ამის გაკეთება არ შეუძლია, რადგან მას თითქმის არ აქვს შეუღლებული ფუძე დამატებული მჟავას შესაბოჭად.

გავრცელებული ბუფერული წყვილებია ძმარმჟავა აცეტატთან, ამონიუმი ამიაკთან, დიჰიდროფოსფატი ჰიდროფოსფატთან და ნახშირმჟავა ჰიდროკარბონატთან. ბოლო წყვილი ეხმარება ადამიანის სისხლს pH 7.4-ის მახლობლად შენარჩუნებაში, როგორც OpenStax-ის ნაწილი 14.6 აღწერს.

ჰენდერსონ–ჰასელბალხის განტოლების გამოყვანა Ka-ს გამოსახულებიდან

დაიწყეთ Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]-დან და ამოხსენით ჰიდრონიუმის მიმართ: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. აიღეთ ორივე მხარის −log და მიიღებთ pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). ეს ჰენდერსონ–ჰასელბალხის განტოლებაა.

ბუფერში HA-ც და A⁻-იც მნიშვნელოვანი რაოდენობებითაა წარმოდგენილი, და თითოეული თრგუნავს მეორის რეაქციას წყალთან. ამიტომ მათი წონასწორული კონცენტრაციები თითქმის ტოლია იმ რაოდენობებისა, რომლებიც შეურიეთ. სწორედ ამიტომ შეგიძლიათ მომზადებული კონცენტრაციები განტოლებაში პირდაპირ ჩასვათ ICE ცხრილის გარეშე.

რადგან ორივე პარტნიორი ერთსა და იმავე მოცულობაშია, კონცენტრაციების ფარდობა მოლების ფარდობის ტოლია. შეგიძლიათ მოლები პირდაპირ გამოიყენოთ, რაც მჟავას ან ფუძის დამატების შემდეგ ერთ ნაბიჯს ზოგავს.

• როცა [A⁻] = [HA], ლოგარითმული წევრი ნულია და pH = pKa.
• ფუძისა და მჟავის თანაფარდობის ყოველი ათჯერ ზრდა pH-ს ერთი ერთეულით ზრდის.
• მჟავაზე მეტი შეუღლებული ფუძე pKa-ზე მაღალ pH-ს იძლევა; მეტი მჟავა კი მასზე დაბალ pH-ს.

გადაწყვეტილი მაგალითი: აცეტატური ბუფერის pH

ბუფერი შეიცავს 0.300 M CH₃COOH-ს და 0.250 M CH₃COONa-ს. დანართი H იძლევა Ka = 1.8 × 10⁻⁵-ს, ამიტომ pKa = 4.745. მაშინ pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

დაუმრგვალებელი pKa ბოლომდე შეინარჩუნეთ. მისი წინასწარ 4.74-მდე დამრგვალება 4.66-ს იძლევა. სხვაობა ორი მნიშვნელოვანი ციფრის მქონე Ka-ს განუზღვრელობის ფარგლებშია, მაგრამ ბოლოს ერთხელ დამრგვალება თქვენს პასუხებს პასუხების გასაღებთან შესაბამისობაში ინარჩუნებს. pH ოდნავ დაბალია pKa-ზე, როგორც მოსალოდნელია, რადგან მჟავა ფუძეზე ცოტა მეტია.

გადაწყვეტილი მაგალითი: ძლიერი მჟავას, შემდეგ კი ძლიერი ფუძის დამატება

ზემოთ მოცემული ბუფერის 1.00 L-ს დაამატეთ 0.0200 mol HCl. ჯერ ჩაატარეთ ნეიტრალიზაცია, როგორც სტექიომეტრიული ნაბიჯი: H₃O⁺ 0.0200 mol აცეტატს ძმარმჟავად გარდაქმნის. ძმარმჟავა 0.300-დან 0.320 mol-მდე იზრდება, აცეტატი კი 0.250-დან 0.230 mol-მდე მცირდება. მაშინ pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67-დან 4.60-მდე შემცირდა, ერთეულის მეათედზე ნაკლებით.

იგივე 0.0200 mol HCl-ის დამატება 1.00 L სუფთა წყალზე მოგცემდათ [H₃O⁺] = 0.0200 M-ს და pH 1.70-ს, ნეიტრალურიდან ხუთ ერთეულზე მეტით კლებას.

ახლა საწყისი ბუფერის ახალ 1.00 L-ს დაამატეთ 0.0500 mol NaOH. ჰიდროქსიდი 0.0500 mol ძმარმჟავას აცეტატად გარდაქმნის, რის შემდეგაც რჩება 0.250 mol მჟავა და 0.300 mol ფუძე. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 4.67-დან 0.2-ზე ნაკლები მატება. სუფთა წყალში იგივე NaOH მოგცემდათ pH 12.70-ს.

იგივე ლოგიკა საშუალებას გაძლევთ, ბუფერი ნაწილობრივი ნეიტრალიზაციით მოამზადოთ. 0.0400 mol ძმარმჟავას 0.0150 mol NaOH-თან შერევა ტოვებს 0.0250 mol მჟავას და 0.0150 mol აცეტატს, ამიტომ pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, საბოლოო მოცულობის მიუხედავად.

ბუფერის შედგენა სასურველი pH-ისთვის

ჯერ აირჩიეთ შეუღლებული წყვილი, რომლის pKa სასურველი pH-დან ერთი ერთეულის ფარგლებშია. შემდეგ ჰენდერსონ–ჰასელბალხის განტოლება უკუღმა გამოიყენეთ თანაფარდობის საპოვნელად, ხოლო სტექიომეტრია თანაფარდობის რაოდენობებად გადასაქცევად.

გადაწყვეტილი მაგალითი. მოამზადეთ pH 9.50-ის ბუფერი 0.200 M ამიაკის 500.0 mL-დან მყარი ამონიუმის ქლორიდის დამატებით. მჟავა პარტნიორია NH₄⁺. დანართი I-დან Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, ამიტომ pKb = 4.745 და pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. საჭირო თანაფარდობაა [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 აყვანილი (9.50 − 9.255) ხარისხში = 1.76.

კოლბა შეიცავს 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃-ს, ამიტომ მას სჭირდება 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol-ით ეს დაახლოებით 3.0 g ამონიუმის ქლორიდია, მითითებული ორ მნიშვნელოვან ციფრამდე, რადგან Kb-ს ორი აქვს. პრაქტიკაში შემდეგ pH-ს დაკალიბრებული ხელსაწყოთი შეამოწმებდით და შეასწორებდით.

ბუფერული ტევადობა და pH-ის სასარგებლო დიაპაზონი

ბუფერული დიაპაზონი pH-ის ის ინტერვალია, რომელშიც ბუფერი კარგად მუშაობს. 10:1 ან 1:10 თანაფარდობა შეესაბამება pH = pKa ± 1-ს, ამ ინტერვალის გარეთ კი ერთ-ერთი პარტნიორი ზედმეტად ცოტაა იმისთვის, რომ კიდევ ბევრი მჟავა ან ფუძე შებოჭოს. აცეტატური ბუფერები სასარგებლოა დაახლოებით pH 3.7-დან 5.7-მდე, ამიაკური ბუფერები კი დაახლოებით 8.3-დან 10.3-მდე.

ბუფერული ტევადობა არის მჟავას ან ფუძის რაოდენობა, რომლის შებოჭვაც ბუფერს შეუძლია, სანამ მისი pH მკვეთრად შეიცვლება. ის დამოკიდებულია იმაზე, რამდენია თითოეული პარტნიორი და არა მხოლოდ მათ თანაფარდობაზე. შეადარეთ ორი აცეტატური ბუფერი, თითოეული 1.00 L ტოლი რაოდენობის მჟავითა და ფუძით. ორივე იწყება pH = pKa = 4.74-ზე. თითოეულის 0.100 M-ის შემთხვევაში 0.00500 mol HCl-ის დამატება pH-ს 0.04-ით ამცირებს, 4.70-მდე. თითოეულის 0.0100 M-ის შემთხვევაში იგივე დამატება მას თითქმის ნახევარი ერთეულით ამცირებს, 4.27-მდე. თანაფარდობა იგივე იყო, მაგრამ განზავებულ ბუფერს ტევადობის მეათედი ჰქონდა.

ბუფერი ამოწურულია, როცა დამატებული მჟავა ან ფუძე ერთ-ერთ პარტნიორს მთლიანად ხარჯავს. ამის შემდეგ pH-ს ჭარბი ძლიერი მჟავა ან ფუძე განსაზღვრავს, და ის მკვეთრად იცვლება.

შეცდომები, რომლებიც ბუფერის პასუხს არასწორს ხდის

ბუფერის ამოცანები მსჯელობის ორ სახეობას აერთიანებს: სტექიომეტრიას ნეიტრალიზაციისთვის და წონასწორობას pH-ისთვის. დაიცავით ეს თანმიმდევრობა.

• თანაფარდობის შებრუნებით ჩაწერა. ეს არის ფუძე გაყოფილი მჟავაზე: log([A⁻]/[HA]).
• დამატებული HCl-ის ან NaOH-ის ჩასმა ჰენდერსონ–ჰასელბალხის განტოლებაში ნეიტრალიზაციის ნაბიჯის შესრულებამდე.
• pKb-ის გამოყენება pKa-ს ნაცვლად ამიაკური ბუფერისთვის. გადაიყვანეთ pKa + pKb = 14.00-ით 25 °C-ზე.
• ერთი პარტნიორისთვის მოლების და მეორისთვის კონცენტრაციის აღრევა, როცა ისინი სხვადასხვა მოცულობაშია.
• იმის დაშვება, რომ ბუფერი კვლავ მუშაობს მას შემდეგ, რაც დამატებული მჟავა ან ფუძე ერთ-ერთი პარტნიორის რაოდენობას გადააჭარბებს.
• მხოლოდ სუსტი მჟავას, ან სუსტი მჟავას ძლიერ მჟავასთან ერთად, ბუფერად მიჩნევა.