Буферлер: алсыз кислота жана анын түйүндөш негизи pH ты кантип туруктуу кармайт

Ар бири бир коркунучту нейтралдаштырган эки өнөктөш

Сирке кислотасынын, CH₃COOH, жана CH₃COO⁻ берген натрий ацетатынын аралашмасын алыңыз. Күчтүү кислота кошулса, ацетат иону ашыкча протондорду кабыл алат: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Күчтүү негиз кошулса, сирке кислотасы аны нейтралдаштырат: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Эки реакция тең дээрлик аягына чейин жүрөт, ошондуктан кошулган күчтүү кислота же негиз алсыз өнөктөштүн көбүрөөк санына айланат. pH баары бир жылат, анткени кислота менен негиздин катышы өзгөрөт, бирок бир аз гана. Жалгыз алсыз кислотанын эритмеси муну жасай албайт, анткени анда кошулган кислотаны сиңирүүгө түйүндөш негиз дээрлик жок.

Кеңири таралган буфердик жуптарга сирке кислотасы менен ацетат, аммоний менен аммиак, дигидрофосфат менен гидрофосфат жана көмүр кислотасы менен гидрокарбонат кирет. OpenStax 14.6-бөлүмү сүрөттөгөндөй, акыркы жуп адамдын канын pH 7.4 кө жакын кармоого жардам берет.

Хендерсон–Хассельбальх теңдемесин Ka туюнтмасынан чыгаруу

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] дан баштап, гидроксонийди табыңыз: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Эки тараптын тең −log маанисин алып, pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) алыңыз. Бул Хендерсон–Хассельбальх теңдемеси.

Буферде HA да, A⁻ да олуттуу сандарда болот, жана ар бири экинчисинин суу менен реакциясын басат. Ошондуктан алардын тең салмактуулуктагы концентрациялары сиз аралаштырган сандарга дээрлик барабар. Ушул себептен даярдалган концентрацияларды ICE таблицасыз эле түздөн-түз теңдемеге коюуга болот.

Эки өнөктөш тең бир көлөмдө тургандыктан, концентрациялардын катышы мольдордун катышына барабар. Мольдорду түздөн-түз колдоно аласыз, бул кислота же негиз кошулгандан кийин бир кадамды үнөмдөйт.

• [A⁻] = [HA] болгондо логарифм мүчөсү нөлгө барабар жана pH = pKa.
• Негиздин кислотага катышынын ар бир он эсе өсүшү pH ты бир бирдикке жогорулатат.
• Түйүндөш негиз кислотадан көп болсо, pH pKa дан жогору болот; кислота көп болсо, pH андан төмөн болот.

Чыгарылган мисал: ацетат буферинин pH мааниси

Буферде 0.300 M CH₃COOH жана 0.250 M CH₃COONa бар. H тиркемеси Ka = 1.8 × 10⁻⁵ берет, ошондуктан pKa = 4.745. Анда pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Тегеректелбеген pKa ны акырына чейин сактаңыз. Аны адегенде 4.74 кө чейин тегеректөө 4.66 берет. Айырма эки маанилүү цифралуу Ka нын аныксыздыгынын чегинде, бирок аягында бир жолу тегеректөө жоопторуңузду жооптор ачкычы менен ырааттуу кармайт. Күтүлгөндөй, pH pKa дан бир аз төмөн, анткени кислота негизден бир аз көбүрөөк.

Чыгарылган мисал: күчтүү кислотаны, андан кийин күчтүү негизди кошуу

Жогорудагы буфердин 1.00 L ине 0.0200 mol HCl кошуңуз. Адегенде нейтралдаштырууну стехиометрия кадамы катары жасаңыз: H₃O⁺ 0.0200 mol ацетатты сирке кислотасына айландырат. Сирке кислотасы 0.300 дөн 0.320 mol го чейин өсөт, ал эми ацетат 0.250 дөн 0.230 mol го чейин азаят. Анда pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67 ден 4.60 ка чейин, бирдиктин ондон биринен аз төмөндөдү.

Ошол эле 0.0200 mol HCl ди 1.00 L таза сууга кошуу [H₃O⁺] = 0.0200 M жана 1.70 pH бермек, бул нейтралдуудан беш бирдиктен ашык төмөндөө.

Эми баштапкы буфердин жаңы 1.00 L ине 0.0500 mol NaOH кошуңуз. Гидроксид 0.0500 mol сирке кислотасын ацетатка айландырып, 0.250 mol кислота жана 0.300 mol негиз калтырат. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 4.67 ден 0.2 ден аз өсүү. Таза сууда ошол эле NaOH pH 12.70 бермек.

Ушул эле логика буферди жарым-жартылай нейтралдаштыруу менен даярдоого мүмкүндүк берет. 0.0400 mol сирке кислотасын 0.0150 mol NaOH менен аралаштыруу 0.0250 mol кислота жана 0.0150 mol ацетат калтырат, ошондуктан акыркы көлөм кандай болбосун, pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

Максаттуу pH үчүн буферди долбоорлоо

Адегенде pKa мааниси сиз каалаган pH тан бир бирдиктин чегинде болгон түйүндөш жупту тандаңыз. Андан кийин катышты табуу үчүн Хендерсон–Хассельбальх теңдемесин тескери колдонуңуз, ал эми катышты сандарга айландыруу үчүн стехиометрияны колдонуңуз.

Чыгарылган мисал. 0.200 M аммиактын 500.0 mL инен катуу аммоний хлоридин кошуу менен pH 9.50 буферин даярдаңыз. Кислота өнөктөшү — NH₄⁺. I тиркемесинен Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, ошондуктан pKb = 4.745 жана pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Керектүү катыш [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 дун (9.50 − 9.255) даражасы = 1.76.

Колбада 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ бар, ошондуктан ага 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ керек. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol болгондо бул болжол менен 3.0 g аммоний хлориди, эки маанилүү цифра менен берилет, анткени Kb нын эки маанилүү цифрасы бар. Иш жүзүндө андан кийин pH ты калибрленген прибор менен текшерип, тууралайт элеңиз.

Буфердик сыйымдуулук жана пайдалуу pH аралыгы

Буфердик аралык — буфер жакшы иштеген pH аралыгы. 10:1 же 1:10 катышы pH = pKa ± 1 ге туура келет, ал эми ал аралыктан тышкары бир өнөктөш кислотаны же негизди көбүрөөк сиңирүү үчүн өтө аз. Ацетат буферлери болжол менен pH 3.7 ден 5.7 ге чейин, ал эми аммиак буферлери болжол менен 8.3 төн 10.3 кө чейин пайдалуу.

Буфердик сыйымдуулук — буфер pH мааниси катуу өзгөргөнгө чейин сиңире алган кислотанын же негиздин саны. Ал алардын катышынан гана эмес, ар бир өнөктөштүн канчасы бар экенинен көз каранды. Ар бири 1.00 L, кислотасы менен негизи бирдей болгон эки ацетат буферин салыштырыңыз. Экөө тең pH = pKa = 4.74 төн башталат. Ар биринен 0.100 M болгондо, 0.00500 mol HCl кошуу pH ты 0.04 кө, 4.70 ке чейин төмөндөтөт. Ар биринен 0.0100 M болгондо, ошол эле кошуу аны дээрлик жарым бирдикке, 4.27 ге чейин төмөндөтөт. Катыш бирдей болгон, бирок суюлтулган буфердин сыйымдуулугу ондон бир гана болгон.

Кошулган кислота же негиз бир өнөктөштүн баарын сарптаганда буфер түгөнөт. Андан кийин pH ашыкча күчтүү кислота же негиз менен аныкталат жана кескин өзгөрөт.

Буфер боюнча жоопту туура эмес кылган каталар

Буфер маселелери ой жүгүртүүнүн эки түрүн айкалыштырат: нейтралдаштыруу үчүн стехиометрия жана pH үчүн тең салмактуулук. Аларды ушул тартипте сактаңыз.

• Катышты тескери жазуу. Ал негиздин кислотага катышы: log([A⁻]/[HA]).
• Нейтралдаштыруу кадамын жасоодон мурун кошулган HCl ди же NaOH ту Хендерсон–Хассельбальх теңдемесине коюу.
• Аммиак буфери үчүн pKa нын ордуна pKb ны колдонуу. 25 °C та pKa + pKb = 14.00 менен айландырыңыз.
• Өнөктөштөр ар кандай көлөмдө болгондо бирөө үчүн мольдорду, экинчиси үчүн концентрацияны аралаштыруу.
• Кошулган кислота же негиз бир өнөктөштүн санынан ашкандан кийин да буфер иштейт деп ойлоо.
• Жалгыз алсыз кислотаны же күчтүү кислота кошулган алсыз кислотаны буфер катары кароо.