ബഫറുകൾ: ഒരു ദുർബല അമ്ലവും അതിന്റെ സംയുഗ്മ ക്ഷാരവും pH എങ്ങനെ സ്ഥിരമായി നിലനിർത്തുന്നു

ഓരോന്നും ഒരു ഭീഷണിയെ നിർവീര്യമാക്കുന്ന രണ്ട് പങ്കാളികൾ

അസറ്റിക് അമ്ലം, CH₃COOH, CH₃COO⁻ നൽകുന്ന സോഡിയം അസറ്റേറ്റ് എന്നിവയുടെ ഒരു മിശ്രിതം എടുക്കുക. ശക്തമായ അമ്ലം ചേർത്താൽ അസറ്റേറ്റ് അയോൺ അധിക പ്രോട്ടോണുകൾ സ്വീകരിക്കുന്നു: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. ശക്തമായ ക്ഷാരം ചേർത്താൽ അസറ്റിക് അമ്ലം അതിനെ നിർവീര്യമാക്കുന്നു: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

രണ്ട് അഭിക്രിയകളും ഫലത്തിൽ പൂർണമാകുന്നു, അതിനാൽ ചേർത്ത ശക്തമായ അമ്ലമോ ക്ഷാരമോ ദുർബല പങ്കാളിയുടെ കൂടുതൽ അളവായി മാറുന്നു. അമ്ല–ക്ഷാര അനുപാതം മാറുന്നതിനാൽ pH ഇപ്പോഴും നീങ്ങുന്നു, പക്ഷേ നേരിയ തോതിൽ മാത്രം. ദുർബല അമ്ലം മാത്രമുള്ള ഒരു ലായനിക്ക് ഇത് ചെയ്യാനാകില്ല, കാരണം ചേർത്ത അമ്ലത്തെ ആഗിരണം ചെയ്യാൻ അതിൽ സംയുഗ്മ ക്ഷാരം ഏതാണ്ട് ഇല്ല.

സാധാരണ ബഫർ ജോടികളിൽ അസറ്റിക് അമ്ലവും അസറ്റേറ്റും, അമോണിയവും അമോണിയയും, ഡൈഹൈഡ്രജൻ ഫോസ്ഫേറ്റും ഹൈഡ്രജൻ ഫോസ്ഫേറ്റും, കാർബോണിക് അമ്ലവും ഹൈഡ്രജൻ കാർബണേറ്റും ഉൾപ്പെടുന്നു. OpenStax വിഭാഗം 14.6 വിവരിക്കുന്നതുപോലെ, അവസാന ജോടി മനുഷ്യ രക്തത്തെ pH 7.4-ന് അടുത്ത് നിലനിർത്താൻ സഹായിക്കുന്നു.

Ka പദപ്രയോഗത്തിൽ നിന്ന് ഹെൻഡേഴ്സൺ–ഹാസൽബാൾക്ക് ഉരുത്തിരിക്കൽ

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]-ൽ നിന്ന് തുടങ്ങി ഹൈഡ്രോണിയത്തിനായി നിർധാരണം ചെയ്യുക: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. ഇരുവശത്തിന്റെയും −log എടുക്കുമ്പോൾ pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) ലഭിക്കുന്നു. ഇതാണ് ഹെൻഡേഴ്സൺ–ഹാസൽബാൾക്ക് സമവാക്യം.

ഒരു ബഫറിൽ HA-ഉം A⁻-ഉം ഗണ്യമായ അളവുകളിൽ ഉണ്ട്, ഓരോന്നും മറ്റേതിന്റെ ജലവുമായുള്ള അഭിക്രിയയെ അടിച്ചമർത്തുന്നു. അതിനാൽ അവയുടെ സന്തുലന സാന്ദ്രതകൾ നിങ്ങൾ കലർത്തിയ അളവുകൾക്ക് ഏതാണ്ട് തുല്യമാണ്. അതുകൊണ്ടാണ് ICE പട്ടികയില്ലാതെ തയ്യാറാക്കിയ സാന്ദ്രതകൾ നേരിട്ട് സമവാക്യത്തിൽ ഉപയോഗിക്കാനാകുന്നത്.

രണ്ട് പങ്കാളികളും ഒരേ വ്യാപ്തത്തിലായതിനാൽ സാന്ദ്രതകളുടെ അനുപാതം മോളുകളുടെ അനുപാതത്തിന് തുല്യമാണ്. മോളുകൾ നേരിട്ട് ഉപയോഗിക്കാം, ഇത് അമ്ലമോ ക്ഷാരമോ ചേർത്ത ശേഷം ഒരു ഘട്ടം ലാഭിക്കുന്നു.

• [A⁻] = [HA] ആകുമ്പോൾ log പദം പൂജ്യമാണ്, pH = pKa.
• ക്ഷാര–അമ്ല അനുപാതത്തിലെ ഓരോ പത്തിരട്ടി വർധനയും pH-നെ ഒരു യൂണിറ്റ് ഉയർത്തുന്നു.
• അമ്ലത്തെക്കാൾ കൂടുതൽ സംയുഗ്മ ക്ഷാരം pKa-ക്ക് മുകളിലുള്ള pH നൽകുന്നു; കൂടുതൽ അമ്ലം അതിന് താഴെയുള്ള pH നൽകുന്നു.

ഉദാഹരണം: ഒരു അസറ്റേറ്റ് ബഫറിന്റെ pH

ഒരു ബഫറിൽ 0.300 M CH₃COOH-ഉം 0.250 M CH₃COONa-ഉം ഉണ്ട്. അനുബന്ധം H, Ka = 1.8 × 10⁻⁵ നൽകുന്നു, അതിനാൽ pKa = 4.745. അപ്പോൾ pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

റൗണ്ട് ചെയ്യാത്ത pKa അവസാനം വരെ കൊണ്ടുപോകുക. ആദ്യം അതിനെ 4.74 ആയി റൗണ്ട് ചെയ്താൽ 4.66 ലഭിക്കും. വ്യത്യാസം രണ്ട് സാർഥക അക്കമുള്ള Ka-യുടെ അനിശ്ചിതത്വത്തിനുള്ളിലാണ്, പക്ഷേ അവസാനം ഒരിക്കൽ മാത്രം റൗണ്ട് ചെയ്യുന്നത് നിങ്ങളുടെ ഉത്തരങ്ങളെ ഉത്തരസൂചികയുമായി പൊരുത്തപ്പെടുത്തുന്നു. ക്ഷാരത്തെക്കാൾ അൽപ്പം കൂടുതൽ അമ്ലമുള്ളതിനാൽ, പ്രതീക്ഷിച്ചതുപോലെ, pH, pKa-ക്ക് അൽപ്പം താഴെയാണ്.

ഉദാഹരണം: ശക്തമായ അമ്ലം ചേർക്കൽ, തുടർന്ന് ശക്തമായ ക്ഷാരം

മുകളിലെ ബഫറിന്റെ 1.00 L-ലേക്ക് 0.0200 mol HCl ചേർക്കുക. ആദ്യം നിർവീര്യീകരണം ഒരു സ്റ്റോയ്ക്കിയോമെട്രി ഘട്ടമായി ചെയ്യുക: H₃O⁺ 0.0200 mol അസറ്റേറ്റിനെ അസറ്റിക് അമ്ലമാക്കി മാറ്റുന്നു. അസറ്റിക് അമ്ലം 0.300-ൽ നിന്ന് 0.320 mol-ലേക്ക് ഉയരുന്നു, അസറ്റേറ്റ് 0.250-ൽ നിന്ന് 0.230 mol-ലേക്ക് കുറയുന്നു. അപ്പോൾ pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67-ൽ നിന്ന് 4.60-ലേക്ക് കുറഞ്ഞു, ഒരു യൂണിറ്റിന്റെ പത്തിലൊന്നിൽ താഴെ.

അതേ 0.0200 mol HCl ശുദ്ധജലത്തിന്റെ 1.00 L-ലേക്ക് ചേർത്താൽ [H₃O⁺] = 0.0200 M-ഉം pH 1.70-ഉം ലഭിക്കും, നിർവീര്യതയിൽ നിന്ന് അഞ്ച് യൂണിറ്റിലധികം താഴ്ച.

ഇനി യഥാർഥ ബഫറിന്റെ പുതിയ 1.00 L-ലേക്ക് 0.0500 mol NaOH ചേർക്കുക. ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് 0.0500 mol അസറ്റിക് അമ്ലത്തെ അസറ്റേറ്റാക്കി മാറ്റുന്നു, 0.250 mol അമ്ലവും 0.300 mol ക്ഷാരവും ശേഷിക്കുന്നു. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 4.67-ൽ നിന്ന് 0.2-ൽ താഴെ ഉയർച്ച. ശുദ്ധജലത്തിൽ അതേ NaOH pH 12.70 നൽകും.

ഭാഗിക നിർവീര്യീകരണത്തിലൂടെ ഒരു ബഫർ ഉണ്ടാക്കാനും ഇതേ യുക്തി സഹായിക്കുന്നു. 0.0400 mol അസറ്റിക് അമ്ലം 0.0150 mol NaOH-മായി കലർത്തുമ്പോൾ 0.0250 mol അമ്ലവും 0.0150 mol അസറ്റേറ്റും ശേഷിക്കുന്നു, അതിനാൽ അന്തിമ വ്യാപ്തം എന്തായാലും pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

ഒരു ലക്ഷ്യ pH-നായി ബഫർ രൂപകൽപ്പന ചെയ്യൽ

ആദ്യം, നിങ്ങൾക്ക് വേണ്ട pH-ന്റെ ഒരു യൂണിറ്റിനുള്ളിൽ pKa ഉള്ള ഒരു സംയുഗ്മ ജോടി തിരഞ്ഞെടുക്കുക. തുടർന്ന് അനുപാതം കണ്ടെത്താൻ ഹെൻഡേഴ്സൺ–ഹാസൽബാൾക്ക് പിന്നോട്ട് ഉപയോഗിക്കുക, അനുപാതത്തെ അളവുകളാക്കി മാറ്റാൻ സ്റ്റോയ്ക്കിയോമെട്രിയും.

ഉദാഹരണം. 0.200 M അമോണിയയുടെ 500.0 mL-ലേക്ക് ഖര അമോണിയം ക്ലോറൈഡ് ചേർത്ത് pH 9.50 ബഫർ തയ്യാറാക്കുക. അമ്ല പങ്കാളി NH₄⁺ ആണ്. അനുബന്ധം I-ൽ നിന്ന് Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, അതിനാൽ pKb = 4.745, pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. ആവശ്യമായ അനുപാതം [NH₃]/[NH₄⁺] = 10-ന്റെ (9.50 − 9.255) കൃതി = 1.76.

ഫ്ലാസ്കിൽ 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ ഉണ്ട്, അതിനാൽ അതിന് 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ വേണം. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol ഉപയോഗിച്ച് അത് ഏകദേശം 3.0 g അമോണിയം ക്ലോറൈഡാണ്; Kb-ക്ക് രണ്ട് സാർഥക അക്കങ്ങളുള്ളതിനാൽ രണ്ട് സാർഥക അക്കങ്ങളിൽ രേഖപ്പെടുത്തുന്നു. പ്രായോഗികമായി, തുടർന്ന് കാലിബ്രേറ്റ് ചെയ്ത ഒരു മീറ്റർ ഉപയോഗിച്ച് pH പരിശോധിച്ച് ക്രമീകരിക്കും.

ബഫർ ശേഷിയും ഉപയോഗപ്രദമായ pH പരിധിയും

ഒരു ബഫർ നന്നായി പ്രവർത്തിക്കുന്ന pH വ്യാപ്തിയാണ് ബഫർ പരിധി. 10:1 അല്ലെങ്കിൽ 1:10 അനുപാതം pH = pKa ± 1-ന് അനുരൂപമാണ്, ആ വ്യാപ്തിക്ക് പുറത്ത് ഒരു പങ്കാളി കൂടുതൽ അമ്ലമോ ക്ഷാരമോ ആഗിരണം ചെയ്യാനാകാത്തത്ര കുറവാണ്. അസറ്റേറ്റ് ബഫറുകൾ ഏകദേശം pH 3.7 മുതൽ 5.7 വരെയും അമോണിയ ബഫറുകൾ ഏകദേശം 8.3 മുതൽ 10.3 വരെയും ഉപയോഗപ്രദമാണ്.

pH വലിയ തോതിൽ മാറുന്നതിനു മുമ്പ് ഒരു ബഫറിന് ആഗിരണം ചെയ്യാവുന്ന അമ്ലത്തിന്റെയോ ക്ഷാരത്തിന്റെയോ അളവാണ് ബഫർ ശേഷി. അത് അനുപാതത്തെ മാത്രമല്ല, ഓരോ പങ്കാളിയും എത്രയുണ്ട് എന്നതിനെ ആശ്രയിക്കുന്നു. തുല്യ അമ്ലവും ക്ഷാരവുമുള്ള, ഓരോന്നും 1.00 L ആയ രണ്ട് അസറ്റേറ്റ് ബഫറുകൾ താരതമ്യം ചെയ്യുക. രണ്ടും pH = pKa = 4.74-ൽ തുടങ്ങുന്നു. ഓരോന്നും 0.100 M ആകുമ്പോൾ 0.00500 mol HCl ചേർക്കുന്നത് pH-നെ 0.04 താഴ്ത്തി 4.70 ആക്കുന്നു. ഓരോന്നും 0.0100 M ആകുമ്പോൾ അതേ ചേർക്കൽ അതിനെ ഏതാണ്ട് അര യൂണിറ്റ് താഴ്ത്തി 4.27 ആക്കുന്നു. അനുപാതം ഒന്നുതന്നെയായിരുന്നു, പക്ഷേ നേർത്ത ബഫറിന് പത്തിലൊന്ന് ശേഷി മാത്രമേ ഉണ്ടായിരുന്നുള്ളൂ.

ചേർത്ത അമ്ലമോ ക്ഷാരമോ ഒരു പങ്കാളിയെ മുഴുവനായി ഉപയോഗിച്ചുതീർക്കുമ്പോൾ ബഫർ തീർന്നുപോകുന്നു. അതിനുശേഷം pH നിശ്ചയിക്കുന്നത് അധികമുള്ള ശക്തമായ അമ്ലമോ ക്ഷാരമോ ആണ്, അത് കുത്തനെ മാറുന്നു.

ബഫർ ഉത്തരം തെറ്റിക്കുന്ന പിഴവുകൾ

ബഫർ പ്രശ്നങ്ങൾ രണ്ട് തരം യുക്തി കലർത്തുന്നു: നിർവീര്യീകരണത്തിന് സ്റ്റോയ്ക്കിയോമെട്രിയും pH-ന് സന്തുലനവും. അവയെ ആ ക്രമത്തിൽ നിലനിർത്തുക.

• അനുപാതം തലകീഴായി എഴുതൽ. അത് ക്ഷാരം ഹരണം അമ്ലം ആണ്: log([A⁻]/[HA]).
• നിർവീര്യീകരണ ഘട്ടം ചെയ്യുന്നതിനു മുമ്പ് ചേർത്ത HCl അല്ലെങ്കിൽ NaOH ഹെൻഡേഴ്സൺ–ഹാസൽബാൾക്ക് സമവാക്യത്തിൽ ഉൾപ്പെടുത്തൽ.
• അമോണിയ ബഫറിന് pKa-ക്ക് പകരം pKb ഉപയോഗിക്കൽ. 25 °C-ൽ pKa + pKb = 14.00 ഉപയോഗിച്ച് മാറ്റുക.
• പങ്കാളികൾ വ്യത്യസ്ത വ്യാപ്തങ്ങളിലായിരിക്കുമ്പോൾ ഒന്നിന് മോളുകളും മറ്റേതിന് സാന്ദ്രതയും കലർത്തി ഉപയോഗിക്കൽ.
• ചേർത്ത അമ്ലമോ ക്ഷാരമോ ഒരു പങ്കാളിയുടെ അളവിനെ കവിഞ്ഞതിനു ശേഷവും ബഫർ പ്രവർത്തിക്കുന്നുവെന്ന് അനുമാനിക്കൽ.
• ദുർബല അമ്ലം മാത്രമുള്ളതിനെയോ ദുർബല അമ്ലവും ശക്തമായ അമ്ലവും ചേർന്നതിനെയോ ബഫറായി കണക്കാക്കൽ.