Пуфери: како слаба киселина и нејзината конјугирана база го држат pH стабилен

Два партнери од кои секој неутрализира по една закана

Земете смеса од оцетна киселина, CH₃COOH, и натриум ацетат, кој дава CH₃COO⁻. Ако се додаде силна киселина, ацетатниот јон ги прифаќа вишокот протони: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Ако се додаде силна база, оцетната киселина ја неутрализира: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Двете реакции практично одат до крај, па додадената силна киселина или база се претвора во повеќе од слабиот партнер. pH сепак се поместува, бидејќи односот на киселината и базата се менува, но само малку. Раствор само на слаба киселина не може да го направи ова, бидејќи речиси нема конјугирана база што би ја апсорбирала додадената киселина.

Вообичаени пуферски парови се оцетна киселина со ацетат, амониум со амонијак, дихидрогенфосфат со хидрогенфосфат и јаглеродна киселина со хидрогенкарбонат. Последниот пар помага човечката крв да се одржува блиску до pH 7.4, како што опишува делот 14.6 во OpenStax.

Изведување на Хендерсон–Хаселбалховата равенка од изразот за Ka

Почнете од Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] и изразете го хидрониумот: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Земете −log од двете страни за да добиете pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Ова е Хендерсон–Хаселбалховата равенка.

Во пуферот, и HA и A⁻ се присутни во значителни количества, и секој ја потиснува реакцијата на другиот со водата. Затоа нивните рамнотежни концентрации се речиси еднакви на количествата што сте ги измешале. Затоа можете подготвените концентрации директно да ги ставите во равенката без ICE-табела.

Бидејќи двата партнери се во ист волумен, односот на концентрациите е еднаков на односот на моловите. Можете директно да користите молови, со што заштедувате чекор откако ќе се додаде киселина или база.

• Кога [A⁻] = [HA], логаритамскиот член е нула и pH = pKa.
• Секое десеткратно зголемување на односот база–киселина го зголемува pH за една единица.
• Повеќе конјугирана база отколку киселина дава pH над pKa; повеќе киселина дава pH под него.

Решен пример: pH на ацетатен пуфер

Пуферот содржи 0.300 M CH₃COOH и 0.250 M CH₃COONa. Додаток H дава Ka = 1.8 × 10⁻⁵, па pKa = 4.745. Тогаш pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Носете го незаокруженото pKa до крајот. Ако прво го заокружите на 4.74, добивате 4.66. Разликата е во рамките на неопределеноста на Ka со две значајни цифри, но едно заокружување на крајот ги одржува вашите одговори доследни со клучот за одговори. pH е малку под pKa, како што се очекува, бидејќи има малку повеќе киселина отколку база.

Решен пример: додавање силна киселина, а потоа силна база

Додајте 0.0200 mol HCl во 1.00 L од пуферот погоре. Прво направете ја неутрализацијата, како стехиометриски чекор: H₃O⁺ претвора 0.0200 mol ацетат во оцетна киселина. Оцетната киселина се зголемува од 0.300 на 0.320 mol, а ацетатот опаѓа од 0.250 на 0.230 mol. Тогаш pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH паднал од 4.67 на 4.60, помалку од една десеттина од единицата.

Додавањето на истите 0.0200 mol HCl во 1.00 L чиста вода би дало [H₃O⁺] = 0.0200 M и pH од 1.70, пад од повеќе од пет единици од неутралното.

Сега додајте 0.0500 mol NaOH во свеж 1.00 L од првобитниот пуфер. Хидроксидот претвора 0.0500 mol оцетна киселина во ацетат, оставајќи 0.250 mol киселина и 0.300 mol база. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, пораст од 4.67 за помалку од 0.2. Во чиста вода истиот NaOH би дал pH 12.70.

Истата логика ви овозможува да направите пуфер со делумна неутрализација. Мешањето на 0.0400 mol оцетна киселина со 0.0150 mol NaOH остава 0.0250 mol киселина и 0.0150 mol ацетат, па pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, без оглед на крајниот волумен.

Дизајнирање пуфер за целен pH

Прво изберете конјугиран пар чиј pKa е во рамките на една единица од pH што го сакате. Потоа користете ја Хендерсон–Хаселбалховата равенка наназад за да го најдете односот, а стехиометријата за да го претворите односот во количества.

Решен пример. Подгответе пуфер со pH 9.50 од 500.0 mL амонијак од 0.200 M со додавање цврст амониум хлорид. Киселинскиот партнер е NH₄⁺. Од Додаток I, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, па pKb = 4.745 и pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Потребниот однос е [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 на степен (9.50 − 9.255) = 1.76.

Колбата содржи 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃, па ѝ требаат 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺. Со M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, тоа е околу 3.0 g амониум хлорид, наведено со две значајни цифри бидејќи Kb има две. Во пракса потоа би го провериле pH со калибриран pH-метар и би го приспособиле.

Пуферски капацитет и корисниот опсег на pH

Пуферскиот опсег е распонот на pH во кој пуферот добро функционира. Однос од 10:1 или 1:10 одговара на pH = pKa ± 1, а надвор од тој распон едниот партнер е премалку застапен за да апсорбира многу повеќе киселина или база. Ацетатните пуфери се корисни од околу pH 3.7 до 5.7, а амонијачните пуфери од околу 8.3 до 10.3.

Пуферскиот капацитет е количеството киселина или база што пуферот може да го апсорбира пред неговиот pH значително да се промени. Тој зависи од тоа колку од секој партнер е присутно, а не само од нивниот однос. Споредете два ацетатни пуфери, секој од 1.00 L со еднакви количества киселина и база. Двата почнуваат од pH = pKa = 4.74. Со по 0.100 M од секој, додавањето на 0.00500 mol HCl го намалува pH за 0.04, на 4.70. Со по 0.0100 M од секој, истото додавање го намалува за речиси половина единица, на 4.27. Односот беше ист, но разредениот пуфер имаше една десеттина од капацитетот.

Пуферот е исцрпен кога додадената киселина или база ќе го потроши целиот еден партнер. Потоа pH го определува вишокот силна киселина или база, и тој нагло се менува.

Грешки што го прават одговорот за пуферот погрешен

Задачите со пуфери мешаат два вида расудување: стехиометрија за неутрализацијата и рамнотежа за pH. Држете ги по тој редослед.

• Пишување на односот наопаку. Тој е база врз киселина: log([A⁻]/[HA]).
• Ставање на додадената HCl или NaOH во Хендерсон–Хаселбалховата равенка пред да се направи чекорот на неутрализација.
• Користење на pKb наместо pKa за амонијачен пуфер. Претворете со pKa + pKb = 14.00 на 25 °C.
• Мешање молови за едниот партнер со концентрација за другиот кога се во различни волумени.
• Претпоставка дека пуферот сè уште функционира откако додадената киселина или база ќе го надмине количеството на едниот партнер.
• Третирање на самата слаба киселина, или слаба киселина со силна киселина, како пуфер.