ಬಫರ್‌ಗಳು: ದುರ್ಬಲ ಆಮ್ಲ ಮತ್ತು ಅದರ ಸಂಯುಗ್ಮ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ pH ಅನ್ನು ಹೇಗೆ ಸ್ಥಿರವಾಗಿಡುತ್ತವೆ

ತಲಾ ಒಂದು ಬೆದರಿಕೆಯನ್ನು ತಟಸ್ಥಗೊಳಿಸುವ ಎರಡು ಜೊತೆಗಾರರು

ಅಸಿಟಿಕ್ ಆಮ್ಲ, CH₃COOH, ಮತ್ತು CH₃COO⁻ ಅನ್ನು ಒದಗಿಸುವ ಸೋಡಿಯಂ ಅಸಿಟೇಟ್‌ನ ಮಿಶ್ರಣವನ್ನು ತೆಗೆದುಕೊಳ್ಳಿ. ಪ್ರಬಲ ಆಮ್ಲವನ್ನು ಸೇರಿಸಿದರೆ, ಅಸಿಟೇಟ್ ಅಯಾನು ಹೆಚ್ಚುವರಿ ಪ್ರೋಟಾನ್‌ಗಳನ್ನು ತೆಗೆದುಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. ಪ್ರಬಲ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲವನ್ನು ಸೇರಿಸಿದರೆ, ಅಸಿಟಿಕ್ ಆಮ್ಲ ಅದನ್ನು ತಟಸ್ಥಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

ಎರಡೂ ಕ್ರಿಯೆಗಳು ಮೂಲತಃ ಪೂರ್ಣಗೊಳ್ಳುವವರೆಗೆ ಸಾಗುತ್ತವೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಸೇರಿಸಿದ ಪ್ರಬಲ ಆಮ್ಲ ಅಥವಾ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ ದುರ್ಬಲ ಜೊತೆಗಾರನ ಹೆಚ್ಚಿನ ಪ್ರಮಾಣವಾಗಿ ಪರಿವರ್ತನೆಯಾಗುತ್ತದೆ. ಆಮ್ಲ ಮತ್ತು ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲದ ಅನುಪಾತ ಬದಲಾಗುವುದರಿಂದ pH ಇನ್ನೂ ಚಲಿಸುತ್ತದೆ, ಆದರೆ ಸ್ವಲ್ಪ ಮಾತ್ರ. ಕೇವಲ ದುರ್ಬಲ ಆಮ್ಲದ ದ್ರಾವಣ ಇದನ್ನು ಮಾಡಲಾರದು, ಏಕೆಂದರೆ ಸೇರಿಸಿದ ಆಮ್ಲವನ್ನು ಹೀರಿಕೊಳ್ಳಲು ಅದರಲ್ಲಿ ಸಂಯುಗ್ಮ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ ಬಹುತೇಕ ಇರುವುದಿಲ್ಲ.

ಸಾಮಾನ್ಯ ಬಫರ್ ಜೋಡಿಗಳಲ್ಲಿ ಅಸಿಟೇಟ್‌ನೊಂದಿಗೆ ಅಸಿಟಿಕ್ ಆಮ್ಲ, ಅಮೋನಿಯಾದೊಂದಿಗೆ ಅಮೋನಿಯಂ, ಹೈಡ್ರೋಜನ್ ಫಾಸ್ಫೇಟ್‌ನೊಂದಿಗೆ ಡೈಹೈಡ್ರೋಜನ್ ಫಾಸ್ಫೇಟ್, ಮತ್ತು ಹೈಡ್ರೋಜನ್ ಕಾರ್ಬೊನೇಟ್‌ನೊಂದಿಗೆ ಕಾರ್ಬಾನಿಕ್ ಆಮ್ಲ ಸೇರಿವೆ. OpenStax ವಿಭಾಗ 14.6 ವಿವರಿಸುವಂತೆ, ಕೊನೆಯ ಜೋಡಿ ಮಾನವ ರಕ್ತವನ್ನು pH 7.4 ರ ಹತ್ತಿರ ಇಡಲು ಸಹಾಯ ಮಾಡುತ್ತದೆ.

Ka ಅಭಿವ್ಯಕ್ತಿಯಿಂದ ಹೆಂಡರ್ಸನ್–ಹ್ಯಾಸೆಲ್‌ಬಾಕ್ ಅನ್ನು ವ್ಯುತ್ಪಾದಿಸುವುದು

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] ನಿಂದ ಪ್ರಾರಂಭಿಸಿ ಹೈಡ್ರೋನಿಯಂಗಾಗಿ ಬಿಡಿಸಿ: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. ಎರಡೂ ಬದಿಗಳ −log ತೆಗೆದುಕೊಂಡರೆ pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) ಸಿಗುತ್ತದೆ. ಇದೇ ಹೆಂಡರ್ಸನ್–ಹ್ಯಾಸೆಲ್‌ಬಾಕ್ ಸಮೀಕರಣ.

ಬಫರ್‌ನಲ್ಲಿ, HA ಮತ್ತು A⁻ ಎರಡೂ ಗಣನೀಯ ಪ್ರಮಾಣಗಳಲ್ಲಿ ಇರುತ್ತವೆ, ಮತ್ತು ಪ್ರತಿಯೊಂದೂ ಇನ್ನೊಂದರ ನೀರಿನೊಂದಿಗಿನ ಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ಹತ್ತಿಕ್ಕುತ್ತದೆ. ಆದ್ದರಿಂದ ಅವುಗಳ ಸಾಮ್ಯಸ್ಥಿತಿ ಗಾಢತೆಗಳು ನೀವು ಬೆರೆಸಿದ ಪ್ರಮಾಣಗಳಿಗೆ ಬಹುತೇಕ ಸಮ. ಅದಕ್ಕಾಗಿಯೇ ನೀವು ತಯಾರಿಸಿದ ಗಾಢತೆಗಳನ್ನು ICE ಕೋಷ್ಟಕವಿಲ್ಲದೆ ನೇರವಾಗಿ ಸಮೀಕರಣದಲ್ಲಿ ಹಾಕಬಹುದು.

ಎರಡೂ ಜೊತೆಗಾರರು ಒಂದೇ ಪರಿಮಾಣದಲ್ಲಿರುವುದರಿಂದ, ಗಾಢತೆಗಳ ಅನುಪಾತ ಮೋಲ್‌ಗಳ ಅನುಪಾತಕ್ಕೆ ಸಮ. ನೀವು ನೇರವಾಗಿ ಮೋಲ್‌ಗಳನ್ನು ಬಳಸಬಹುದು, ಇದು ಆಮ್ಲ ಅಥವಾ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ ಸೇರಿಸಿದ ನಂತರ ಒಂದು ಹಂತವನ್ನು ಉಳಿಸುತ್ತದೆ.

• [A⁻] = [HA] ಆದಾಗ, log ಪದ ಸೊನ್ನೆ ಮತ್ತು pH = pKa.
• ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ-ಆಮ್ಲ ಅನುಪಾತದಲ್ಲಿನ ಪ್ರತಿ ಹತ್ತು ಪಟ್ಟು ಹೆಚ್ಚಳ pH ಅನ್ನು ಒಂದು ಘಟಕದಷ್ಟು ಏರಿಸುತ್ತದೆ.
• ಆಮ್ಲಕ್ಕಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಸಂಯುಗ್ಮ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ pKa ಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚಿನ pH ನೀಡುತ್ತದೆ; ಹೆಚ್ಚು ಆಮ್ಲ ಅದಕ್ಕಿಂತ ಕಡಿಮೆ pH ನೀಡುತ್ತದೆ.

ಬಿಡಿಸಿದ ಉದಾಹರಣೆ: ಅಸಿಟೇಟ್ ಬಫರ್‌ನ pH

ಒಂದು ಬಫರ್‌ನಲ್ಲಿ 0.300 M CH₃COOH ಮತ್ತು 0.250 M CH₃COONa ಇವೆ. ಅನುಬಂಧ H Ka = 1.8 × 10⁻⁵ ನೀಡುತ್ತದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ pKa = 4.745. ಆಗ pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

ಪೂರ್ಣಾಂಕಗೊಳಿಸದ pKa ಅನ್ನು ಕೊನೆಯವರೆಗೂ ಉಳಿಸಿಕೊಳ್ಳಿ. ಅದನ್ನು ಮೊದಲೇ 4.74 ಗೆ ಪೂರ್ಣಾಂಕಗೊಳಿಸಿದರೆ 4.66 ಸಿಗುತ್ತದೆ. ವ್ಯತ್ಯಾಸ ಎರಡು-ಸಾರ್ಥಕ-ಅಂಕಿಯ Ka ಯ ಅನಿಶ್ಚಿತತೆಯೊಳಗಿದೆ, ಆದರೆ ಕೊನೆಯಲ್ಲಿ ಒಮ್ಮೆ ಪೂರ್ಣಾಂಕಗೊಳಿಸುವುದು ನಿಮ್ಮ ಉತ್ತರಗಳನ್ನು ಉತ್ತರ ಸೂಚಿಯೊಂದಿಗೆ ಸ್ಥಿರವಾಗಿಡುತ್ತದೆ. ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲಕ್ಕಿಂತ ಸ್ವಲ್ಪ ಹೆಚ್ಚು ಆಮ್ಲ ಇರುವುದರಿಂದ, ನಿರೀಕ್ಷಿಸಿದಂತೆ, pH pKa ಗಿಂತ ಸ್ವಲ್ಪ ಕೆಳಗಿದೆ.

ಬಿಡಿಸಿದ ಉದಾಹರಣೆ: ಪ್ರಬಲ ಆಮ್ಲ, ನಂತರ ಪ್ರಬಲ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ ಸೇರಿಸುವುದು

ಮೇಲಿನ ಬಫರ್‌ನ 1.00 L ಗೆ 0.0200 mol HCl ಸೇರಿಸಿ. ತಟಸ್ಥೀಕರಣವನ್ನು ಮೊದಲು, ಸ್ಟೊಯಿಕಿಯೊಮೆಟ್ರಿ ಹಂತವಾಗಿ ಮಾಡಿ: H₃O⁺ 0.0200 mol ಅಸಿಟೇಟ್ ಅನ್ನು ಅಸಿಟಿಕ್ ಆಮ್ಲವಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುತ್ತದೆ. ಅಸಿಟಿಕ್ ಆಮ್ಲ 0.300 ರಿಂದ 0.320 mol ಗೆ ಏರುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಅಸಿಟೇಟ್ 0.250 ರಿಂದ 0.230 mol ಗೆ ಇಳಿಯುತ್ತದೆ. ಆಗ pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67 ರಿಂದ 4.60 ಗೆ ಇಳಿಯಿತು, ಒಂದು ಘಟಕದ ಹತ್ತನೇ ಒಂದು ಭಾಗಕ್ಕಿಂತ ಕಡಿಮೆ.

ಅದೇ 0.0200 mol HCl ಅನ್ನು 1.00 L ಶುದ್ಧ ನೀರಿಗೆ ಸೇರಿಸಿದರೆ [H₃O⁺] = 0.0200 M ಮತ್ತು pH 1.70 ಸಿಗುತ್ತಿತ್ತು, ತಟಸ್ಥದಿಂದ ಐದು ಘಟಕಗಳಿಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚಿನ ಇಳಿಕೆ.

ಈಗ ಮೂಲ ಬಫರ್‌ನ ಹೊಸ 1.00 L ಗೆ 0.0500 mol NaOH ಸೇರಿಸಿ. ಹೈಡ್ರಾಕ್ಸೈಡ್ 0.0500 mol ಅಸಿಟಿಕ್ ಆಮ್ಲವನ್ನು ಅಸಿಟೇಟ್ ಆಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುತ್ತದೆ, 0.250 mol ಆಮ್ಲ ಮತ್ತು 0.300 mol ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲವನ್ನು ಉಳಿಸುತ್ತದೆ. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 4.67 ರಿಂದ 0.2 ಕ್ಕಿಂತ ಕಡಿಮೆ ಏರಿಕೆ. ಶುದ್ಧ ನೀರಿನಲ್ಲಿ ಅದೇ NaOH pH 12.70 ನೀಡುತ್ತಿತ್ತು.

ಅದೇ ತರ್ಕ ಭಾಗಶಃ ತಟಸ್ಥೀಕರಣದಿಂದ ಬಫರ್ ತಯಾರಿಸಲು ಅನುವು ಮಾಡುತ್ತದೆ. 0.0400 mol ಅಸಿಟಿಕ್ ಆಮ್ಲವನ್ನು 0.0150 mol NaOH ನೊಂದಿಗೆ ಬೆರೆಸಿದರೆ 0.0250 mol ಆಮ್ಲ ಮತ್ತು 0.0150 mol ಅಸಿಟೇಟ್ ಉಳಿಯುತ್ತದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಅಂತಿಮ ಪರಿಮಾಣ ಏನೇ ಇರಲಿ, pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

ಗುರಿ pH ಗಾಗಿ ಬಫರ್ ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸುವುದು

ಮೊದಲು ನಿಮಗೆ ಬೇಕಾದ pH ನಿಂದ ಒಂದು ಘಟಕದೊಳಗೆ pKa ಇರುವ ಸಂಯುಗ್ಮ ಜೋಡಿಯನ್ನು ಆರಿಸಿ. ನಂತರ ಅನುಪಾತವನ್ನು ಕಂಡುಹಿಡಿಯಲು ಹೆಂಡರ್ಸನ್–ಹ್ಯಾಸೆಲ್‌ಬಾಕ್ ಅನ್ನು ಹಿಮ್ಮುಖವಾಗಿ ಬಳಸಿ, ಮತ್ತು ಅನುಪಾತವನ್ನು ಪ್ರಮಾಣಗಳಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸಲು ಸ್ಟೊಯಿಕಿಯೊಮೆಟ್ರಿ ಬಳಸಿ.

ಬಿಡಿಸಿದ ಉದಾಹರಣೆ. 0.200 M ಅಮೋನಿಯಾದ 500.0 mL ಗೆ ಘನ ಅಮೋನಿಯಂ ಕ್ಲೋರೈಡ್ ಸೇರಿಸಿ pH 9.50 ಬಫರ್ ತಯಾರಿಸಿ. ಆಮ್ಲ ಜೊತೆಗಾರ NH₄⁺. ಅನುಬಂಧ I ನಿಂದ, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, ಆದ್ದರಿಂದ pKb = 4.745 ಮತ್ತು pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. ಅಗತ್ಯ ಅನುಪಾತ [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 ರ (9.50 − 9.255) ಘಾತ = 1.76.

ಫ್ಲಾಸ್ಕ್‌ನಲ್ಲಿ 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ ಇದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಅದಕ್ಕೆ 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ ಬೇಕು. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol ನೊಂದಿಗೆ, ಅದು ಸುಮಾರು 3.0 g ಅಮೋನಿಯಂ ಕ್ಲೋರೈಡ್, Kb ಗೆ ಎರಡು ಸಾರ್ಥಕ ಅಂಕಿಗಳಿರುವುದರಿಂದ ಎರಡು ಸಾರ್ಥಕ ಅಂಕಿಗಳಿಗೆ ವರದಿ ಮಾಡಲಾಗಿದೆ. ಆಚರಣೆಯಲ್ಲಿ ನೀವು ನಂತರ ಮಾಪನಾಂಕ ನಿರ್ಣಯಿಸಿದ ಮೀಟರ್‌ನಿಂದ pH ಪರಿಶೀಲಿಸಿ ಹೊಂದಿಸುತ್ತೀರಿ.

ಬಫರ್ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ ಮತ್ತು ಉಪಯುಕ್ತ pH ವ್ಯಾಪ್ತಿ

ಬಫರ್ ವ್ಯಾಪ್ತಿ ಎಂದರೆ ಬಫರ್ ಚೆನ್ನಾಗಿ ಕೆಲಸ ಮಾಡುವ pH ಅಂತರ. 10:1 ಅಥವಾ 1:10 ಅನುಪಾತ pH = pKa ± 1 ಕ್ಕೆ ಅನುರೂಪವಾಗಿದೆ, ಮತ್ತು ಆ ಅಂತರದ ಹೊರಗೆ ಒಬ್ಬ ಜೊತೆಗಾರ ಹೆಚ್ಚು ಆಮ್ಲ ಅಥವಾ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲವನ್ನು ಹೀರಿಕೊಳ್ಳಲು ತೀರಾ ವಿರಳ. ಅಸಿಟೇಟ್ ಬಫರ್‌ಗಳು ಸುಮಾರು pH 3.7 ರಿಂದ 5.7 ರವರೆಗೆ, ಮತ್ತು ಅಮೋನಿಯಾ ಬಫರ್‌ಗಳು ಸುಮಾರು 8.3 ರಿಂದ 10.3 ರವರೆಗೆ ಉಪಯುಕ್ತ.

ಬಫರ್ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ ಎಂದರೆ ಬಫರ್‌ನ pH ಬಹಳ ಬದಲಾಗುವ ಮೊದಲು ಅದು ಹೀರಿಕೊಳ್ಳಬಲ್ಲ ಆಮ್ಲ ಅಥವಾ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲದ ಪ್ರಮಾಣ. ಅದು ಕೇವಲ ಅನುಪಾತವನ್ನಲ್ಲ, ಪ್ರತಿ ಜೊತೆಗಾರ ಎಷ್ಟು ಇದೆ ಎಂಬುದನ್ನು ಅವಲಂಬಿಸಿದೆ. ಸಮಾನ ಆಮ್ಲ ಮತ್ತು ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲವಿರುವ, ತಲಾ 1.00 L ನ ಎರಡು ಅಸಿಟೇಟ್ ಬಫರ್‌ಗಳನ್ನು ಹೋಲಿಸಿ. ಎರಡೂ pH = pKa = 4.74 ನಲ್ಲಿ ಪ್ರಾರಂಭವಾಗುತ್ತವೆ. ಪ್ರತಿಯೊಂದರ 0.100 M ನೊಂದಿಗೆ, 0.00500 mol HCl ಸೇರಿಸಿದರೆ pH 0.04 ರಷ್ಟು ಇಳಿದು 4.70 ಆಗುತ್ತದೆ. ಪ್ರತಿಯೊಂದರ 0.0100 M ನೊಂದಿಗೆ, ಅದೇ ಸೇರ್ಪಡೆ ಅದನ್ನು ಬಹುತೇಕ ಅರ್ಧ ಘಟಕದಷ್ಟು ಇಳಿಸಿ 4.27 ಮಾಡುತ್ತದೆ. ಅನುಪಾತ ಒಂದೇ ಆಗಿತ್ತು, ಆದರೆ ದುರ್ಬಲ ಬಫರ್‌ಗೆ ಹತ್ತನೇ ಒಂದು ಭಾಗದಷ್ಟು ಸಾಮರ್ಥ್ಯವಿತ್ತು.

ಸೇರಿಸಿದ ಆಮ್ಲ ಅಥವಾ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ ಒಬ್ಬ ಜೊತೆಗಾರನನ್ನು ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಬಳಸಿದಾಗ ಬಫರ್ ದಣಿಯುತ್ತದೆ. ಅದರ ನಂತರ, pH ಅನ್ನು ಹೆಚ್ಚುವರಿ ಪ್ರಬಲ ಆಮ್ಲ ಅಥವಾ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ ನಿಗದಿಪಡಿಸುತ್ತದೆ, ಮತ್ತು ಅದು ತೀವ್ರವಾಗಿ ಬದಲಾಗುತ್ತದೆ.

ಬಫರ್ ಉತ್ತರವನ್ನು ತಪ್ಪಾಗಿಸುವ ತಪ್ಪುಗಳು

ಬಫರ್ ಸಮಸ್ಯೆಗಳು ಎರಡು ಬಗೆಯ ತರ್ಕವನ್ನು ಬೆರೆಸುತ್ತವೆ: ತಟಸ್ಥೀಕರಣಕ್ಕೆ ಸ್ಟೊಯಿಕಿಯೊಮೆಟ್ರಿ ಮತ್ತು pH ಗೆ ಸಾಮ್ಯಸ್ಥಿತಿ. ಅವನ್ನು ಅದೇ ಕ್ರಮದಲ್ಲಿ ಇಡಿ.

• ಅನುಪಾತವನ್ನು ತಲೆಕೆಳಗಾಗಿ ಬರೆಯುವುದು. ಅದು ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ ಬಾಗಿಸು ಆಮ್ಲ: log([A⁻]/[HA]).
• ತಟಸ್ಥೀಕರಣ ಹಂತವನ್ನು ಮಾಡುವ ಮೊದಲೇ ಸೇರಿಸಿದ HCl ಅಥವಾ NaOH ಅನ್ನು ಹೆಂಡರ್ಸನ್–ಹ್ಯಾಸೆಲ್‌ಬಾಕ್ ಸಮೀಕರಣದಲ್ಲಿ ಹಾಕುವುದು.
• ಅಮೋನಿಯಾ ಬಫರ್‌ಗೆ pKa ಬದಲು pKb ಬಳಸುವುದು. 25 °C ನಲ್ಲಿ pKa + pKb = 14.00 ಮೂಲಕ ಪರಿವರ್ತಿಸಿ.
• ಜೊತೆಗಾರರು ಬೇರೆ ಬೇರೆ ಪರಿಮಾಣಗಳಲ್ಲಿರುವಾಗ ಒಬ್ಬರಿಗೆ ಮೋಲ್‌ಗಳನ್ನು ಮತ್ತು ಇನ್ನೊಬ್ಬರಿಗೆ ಗಾಢತೆಯನ್ನು ಬೆರೆಸುವುದು.
• ಸೇರಿಸಿದ ಆಮ್ಲ ಅಥವಾ ಪ್ರತ್ಯಾಮ್ಲ ಒಬ್ಬ ಜೊತೆಗಾರನ ಪ್ರಮಾಣವನ್ನು ಮೀರಿದ ನಂತರವೂ ಬಫರ್ ಕೆಲಸ ಮಾಡುತ್ತದೆ ಎಂದು ಭಾವಿಸುವುದು.
• ಕೇವಲ ದುರ್ಬಲ ಆಮ್ಲವನ್ನು, ಅಥವಾ ಪ್ರಬಲ ಆಮ್ಲದೊಂದಿಗಿನ ದುರ್ಬಲ ಆಮ್ಲವನ್ನು, ಬಫರ್ ಎಂದು ಪರಿಗಣಿಸುವುದು.