Буферлер: әлсіз қышқыл мен оның түйіндес негізі pH-ты қалай тұрақты ұстайды

Әрқайсысы бір қатерді бейтараптайтын екі серіктес

Сірке қышқылы, CH₃COOH, мен CH₃COO⁻ беретін натрий ацетатының қоспасын алайық. Күшті қышқыл қосылса, ацетат ионы артық протондарды қабылдайды: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Күшті негіз қосылса, сірке қышқылы оны бейтараптайды: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Екі реакция да іс жүзінде соңына дейін жүреді, сондықтан қосылған күшті қышқыл немесе негіз әлсіз серіктестің қосымша мөлшеріне айналады. pH бәрібір өзгереді, өйткені қышқылдың негізге қатынасы өзгереді, бірақ тек аздап. Тек әлсіз қышқылдың ерітіндісі мұны жасай алмайды, өйткені онда қосылған қышқылды сіңіретін түйіндес негіз дерлік жоқ.

Жиі қолданылатын буферлік жұптар: сірке қышқылы мен ацетат, аммоний мен аммиак, дигидрофосфат пен гидрофосфат, сондай-ақ көмір қышқылы мен гидрокарбонат. OpenStax 14.6-бөлімінде сипатталғандай, соңғы жұп адам қанын pH 7.4 маңында ұстауға көмектеседі.

Хендерсон–Хассельбах теңдеуін Ka өрнегінен қорыту

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] өрнегінен бастап, гидроксонийді табыңыз: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Екі жағынан да −log алып, pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) аласыз. Бұл — Хендерсон–Хассельбах теңдеуі.

Буферде HA да, A⁻ да едәуір мөлшерде болады, және әрқайсысы екіншісінің сумен әрекеттесуін басады. Сондықтан олардың тепе-тең концентрациялары сіз араластырған мөлшерлерге дерлік тең. Міне, сондықтан дайындалған концентрацияларды ICE кестесінсіз тікелей теңдеуге қоюға болады.

Екі серіктес бір көлемде болғандықтан, концентрациялар қатынасы моль сандарының қатынасына тең. Моль сандарын тікелей қолдануға болады, бұл қышқыл немесе негіз қосылғаннан кейін бір қадамды үнемдейді.

• [A⁻] = [HA] болғанда логарифм мүшесі нөлге тең және pH = pKa.
• Негіздің қышқылға қатынасының әр он есе артуы pH-ты бір бірлікке көтереді.
• Түйіндес негіз қышқылдан көп болса, pH pKa-дан жоғары; қышқыл көп болса, pH одан төмен.

Шешілген мысал: ацетат буферінің pH мәні

Буферде 0.300 M CH₃COOH және 0.250 M CH₃COONa бар. H қосымшасы Ka = 1.8 × 10⁻⁵ береді, сондықтан pKa = 4.745. Сонда pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Дөңгелектенбеген pKa мәнін соңына дейін сақтаңыз. Оны алдымен 4.74-ке дейін дөңгелектеу 4.66 береді. Айырма екі маңызды цифрлы Ka-ның белгісіздігі шегінде, бірақ соңында бір рет дөңгелектеу жауаптарыңызды жауаптар кілтімен үйлесімді ұстайды. Күтілгендей pH pKa-дан сәл төмен, өйткені қышқыл негізден сәл көп.

Шешілген мысал: күшті қышқыл, содан кейін күшті негіз қосу

Жоғарыдағы буфердің 1.00 L көлеміне 0.0200 mol HCl қосыңыз. Алдымен стехиометриялық қадам ретінде бейтараптауды орындаңыз: H₃O⁺ 0.0200 mol ацетатты сірке қышқылына айналдырады. Сірке қышқылы 0.300-ден 0.320 mol-ға дейін артады, ал ацетат 0.250-ден 0.230 mol-ға дейін кемиді. Сонда pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67-ден 4.60-қа дейін, бірліктің оннан бірінен аз төмендеді.

Дәл осы 0.0200 mol HCl-ды 1.00 L таза суға қосу [H₃O⁺] = 0.0200 M және 1.70 pH берер еді, бұл бейтараптан бес бірліктен астам төмендеу.

Енді бастапқы буфердің жаңа 1.00 L көлеміне 0.0500 mol NaOH қосыңыз. Гидроксид 0.0500 mol сірке қышқылын ацетатқа айналдырып, 0.250 mol қышқыл мен 0.300 mol негіз қалдырады. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, бұл 4.67-ден 0.2-ден аз көтерілу. Таза суда дәл сондай NaOH pH 12.70 берер еді.

Дәл сол логика буферді ішінара бейтараптау арқылы дайындауға мүмкіндік береді. 0.0400 mol сірке қышқылын 0.0150 mol NaOH-пен араластыру 0.0250 mol қышқыл мен 0.0150 mol ацетат қалдырады, сондықтан соңғы көлемге қарамастан pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

Мақсатты pH үшін буфер құрастыру

Алдымен pKa мәні қажет pH-тан бір бірлік шегінде болатын түйіндес жұпты таңдаңыз. Содан кейін қатынасты табу үшін Хендерсон–Хассельбах теңдеуін кері қолданыңыз, ал қатынасты мөлшерлерге айналдыру үшін стехиометрияны қолданыңыз.

Шешілген мысал. 0.200 M аммиактың 500.0 mL көлеміне қатты аммоний хлоридін қосу арқылы pH 9.50 буфер дайындаңыз. Қышқыл серіктес — NH₄⁺. I қосымшасынан Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, сондықтан pKb = 4.745 және pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Қажетті қатынас [NH₃]/[NH₄⁺] = 10-ның (9.50 − 9.255) дәрежесі = 1.76.

Колбада 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ бар, сондықтан оған 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ қажет. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol болғанда, бұл шамамен 3.0 g аммоний хлориді, екі маңызды цифрмен жазылады, өйткені Kb-да екі цифр бар. Іс жүзінде содан кейін pH-ты калибрленген аспаппен тексеріп, түзетер едіңіз.

Буферлік сыйымдылық және пайдалы pH аралығы

Буфер аралығы — буфер жақсы жұмыс істейтін pH аралығы. 10:1 немесе 1:10 қатынасы pH = pKa ± 1-ге сәйкес келеді, ал бұл аралықтан тыс серіктестердің бірі тым аз болып, қосымша қышқылды немесе негізді көп сіңіре алмайды. Ацетат буферлері шамамен pH 3.7-ден 5.7-ге дейін, ал аммиак буферлері шамамен 8.3-тен 10.3-ке дейін пайдалы.

Буферлік сыйымдылық — буфер pH мәні қатты өзгергенге дейін сіңіре алатын қышқыл немесе негіз мөлшері. Ол тек серіктестердің қатынасына емес, әрқайсысының қанша екеніне байланысты. Әрқайсысы 1.00 L, қышқыл мен негізі тең екі ацетат буферін салыстырыңыз. Екеуі де pH = pKa = 4.74-тен басталады. Әрқайсысы 0.100 M болғанда 0.00500 mol HCl қосу pH-ты 0.04-ке, 4.70-ке дейін төмендетеді. Әрқайсысы 0.0100 M болғанда дәл сондай қосу оны жарты бірлікке жуық, 4.27-ге дейін төмендетеді. Қатынас бірдей болды, бірақ сұйылтылған буфердің сыйымдылығы он есе аз болды.

Қосылған қышқыл немесе негіз серіктестердің біреуін толық жұмсағанда буфер таусылады. Одан кейін pH-ты артық күшті қышқыл немесе негіз анықтайды, және ол күрт өзгереді.

Буфер жауабын қате ететін қателер

Буфер есептері пайымдаудың екі түрін біріктіреді: бейтараптау үшін стехиометрия және pH үшін тепе-теңдік. Оларды осы ретпен орындаңыз.

• Қатынасты төңкеріп жазу. Ол негіздің қышқылға қатынасы: log([A⁻]/[HA]).
• Бейтараптау қадамын орындамай тұрып, қосылған HCl немесе NaOH-ты Хендерсон–Хассельбах теңдеуіне қою.
• Аммиак буфері үшін pKa орнына pKb қолдану. 25 °C кезінде pKa + pKb = 14.00 арқылы түрлендіріңіз.
• Серіктестер әртүрлі көлемде болғанда біреуі үшін моль санын, ал екіншісі үшін концентрацияны араластыру.
• Қосылған қышқыл немесе негіз бір серіктестің мөлшерінен асқаннан кейін де буфер жұмыс істейді деп болжау.
• Жалғыз әлсіз қышқылды немесе күшті қышқылмен бірге әлсіз қышқылды буфер деп санау.