Буфер: сул хүчил ба түүний уялдах суурь pH-г хэрхэн тогтвортой барьдаг вэ

Тус бүр нэг аюулыг саармагжуулдаг хоёр түнш

Цууны хүчил CH₃COOH ба CH₃COO⁻ өгдөг натрийн ацетатын хольцыг ав. Хүчтэй хүчил нэмбэл ацетат ион илүүдэл протоныг авна: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Хүчтэй суурь нэмбэл цууны хүчил түүнийг саармагжуулна: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Хоёр урвал хоёулаа бараг бүрэн явагддаг тул нэмсэн хүчтэй хүчил эсвэл суурь сул түншийн илүү их хэмжээ болж хувирна. Хүчил ба суурийн харьцаа өөрчлөгддөг тул pH хөдөлсөөр байх ч бага зэрэг. Ганц сул хүчлийн уусмал үүнийг хийж чадахгүй, учир нь нэмсэн хүчлийг шингээх уялдах суурь бараг байдаггүй.

Түгээмэл буфер хосуудад цууны хүчил ба ацетат, аммони ба аммиак, дигидрофосфат ба гидрофосфат, нүүрсхүчил ба гидрокарбонат орно. OpenStax-ийн 14.6-р хэсэгт дүрсэлснээр сүүлийн хос хүний цусыг pH 7.4 орчимд барихад тусалдаг.

Ka-ийн илэрхийллээс Хендерсон–Хассельбальхыг гаргах

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]-ээс эхэлж гидроксонийг ол: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Хоёр талаас −log авбал pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) гарна. Энэ бол Хендерсон–Хассельбальхын тэгшитгэл.

Буферт HA ба A⁻ хоёулаа их хэмжээгээр байх бөгөөд тус бүр нөгөөгийнхөө устай урвалыг дарна. Иймээс тэдгээрийн тэнцвэрийн концентраци таны хольсон хэмжээтэй бараг тэнцүү. Иймээс бэлтгэсэн концентрацийг ICE хүснэгтгүйгээр тэгшитгэлд шууд орлуулж болно.

Хоёр түнш ижил эзлэхүүнд байгаа тул концентрацийн харьцаа молийн харьцаатай тэнцүү. Молийг шууд ашиглаж болох бөгөөд энэ нь хүчил эсвэл суурь нэмсний дараа нэг алхам хэмнэнэ.

• [A⁻] = [HA] үед лог гишүүн тэг бөгөөд pH = pKa.
• Суурь ба хүчлийн харьцааны арав дахин өсөлт бүр pH-г нэг нэгжээр өсгөнө.
• Хүчлээс илүү уялдах суурь pKa-аас дээш pH өгнө; илүү хүчил түүнээс доош pH өгнө.

Бодит жишээ: ацетатын буферийн pH

Буфер 0.300 M CH₃COOH ба 0.250 M CH₃COONa агуулна. Хавсралт H Ka = 1.8 × 10⁻⁵ гэж өгдөг тул pKa = 4.745. Тэгвэл pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Бөөрөнхийлөөгүй pKa-г эцэс хүртэл хадгал. Эхлээд 4.74 болгон бөөрөнхийлбөл 4.66 гарна. Зөрүү ач холбогдолтой хоёр цифртэй Ka-ийн тодорхойгүй байдлын хүрээнд байгаа ч зөвхөн төгсгөлд нэг удаа бөөрөнхийлөх нь таны хариултыг хариултын түлхүүртэй нийцтэй байлгана. Суурьнаас арай илүү хүчил байгаа тул pH хүлээгдсэнээр pKa-аас бага зэрэг доогуур байна.

Бодит жишээ: хүчтэй хүчил, дараа нь хүчтэй суурь нэмэх

Дээрх буферийн 1.00 L-д 0.0200 mol HCl нэм. Эхлээд саармагжуулалтыг стехиометрийн алхам болгон хий: H₃O⁺ 0.0200 mol ацетатыг цууны хүчил болгоно. Цууны хүчил 0.300-аас 0.320 mol хүртэл өсч, ацетат 0.250-аас 0.230 mol хүртэл буурна. Тэгвэл pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67-оос 4.60 хүртэл, нэгжийн аравны нэгээс бага буурсан.

Ижил 0.0200 mol HCl-ийг 1.00 L цэвэр усанд нэмбэл [H₃O⁺] = 0.0200 M ба pH 1.70 гарах бөгөөд энэ нь саармагаас тав гаруй нэгжийн бууралт.

Одоо анхны буферийн шинэ 1.00 L-д 0.0500 mol NaOH нэм. Гидроксид 0.0500 mol цууны хүчлийг ацетат болгож, 0.250 mol хүчил ба 0.300 mol суурь үлдээнэ. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 4.67-оос 0.2-оос бага өсөлт. Цэвэр усанд ижил NaOH pH 12.70 өгөх байсан.

Ижил логикоор хэсэгчилсэн саармагжуулалтаар буфер хийж болно. 0.0400 mol цууны хүчлийг 0.0150 mol NaOH-тэй хольход 0.0250 mol хүчил ба 0.0150 mol ацетат үлдэх тул эцсийн эзлэхүүнээс үл хамааран pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

Зорилтот pH-д буфер зохиох

Эхлээд pKa нь таны хүссэн pH-ээс нэг нэгжийн дотор орших уялдах хосыг сонго. Дараа нь Хендерсон–Хассельбальхыг урвуугаар ашиглаж харьцааг олж, стехиометрээр харьцааг хэмжээ болгон хувирга.

Бодит жишээ. 0.200 M аммиакийн 500.0 mL-д хатуу аммонийн хлорид нэмж pH 9.50 буфер бэлтгэ. Хүчил түнш нь NH₄⁺. Хавсралт I-ээс Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵ тул pKb = 4.745 ба pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Шаардлагатай харьцаа [NH₃]/[NH₄⁺] = 10-ыг (9.50 − 9.255) зэрэгт дэвшүүлсэн = 1.76.

Колба 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ агуулах тул 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ шаардана. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol бол энэ нь ойролцоогоор 3.0 g аммонийн хлорид бөгөөд Kb ач холбогдолтой хоёр цифртэй тул хоёр цифрээр тайлагнана. Практикт дараа нь калибрласан хэмжүүрээр pH-г шалгаж тохируулна.

Буферийн багтаамж ба ашигтай pH-ийн муж

Буферийн муж нь буфер сайн ажилладаг pH-ийн хүрээ. 10:1 эсвэл 1:10 харьцаа pH = pKa ± 1-д харгалзах ба тэр хүрээнээс гадуур нэг түнш хэт цөөн болж илүү их хүчил эсвэл суурь шингээж чадахгүй. Ацетатын буфер ойролцоогоор pH 3.7-оос 5.7, аммиакийн буфер ойролцоогоор 8.3-аас 10.3 хүртэл ашигтай.

Буферийн багтаамж нь pH нь их өөрчлөгдөхөөс өмнө буферийн шингээж чадах хүчил эсвэл суурийн хэмжээ. Энэ нь зөвхөн харьцаанаас биш, түнш тус бүр хэр их байгаагаас хамаарна. Тус бүр 1.00 L, хүчил ба суурь тэнцүү хоёр ацетатын буферийг харьцуул. Хоёулаа pH = pKa = 4.74-өөс эхэлнэ. Тус бүрээс 0.100 M байхад 0.00500 mol HCl нэмэх нь pH-г 0.04-өөр бууруулж 4.70 болгоно. Тус бүрээс 0.0100 M байхад ижил нэмэлт түүнийг бараг хагас нэгжээр бууруулж 4.27 болгоно. Харьцаа ижил байсан ч шингэн буфер аравны нэг багтаамжтай байв.

Нэмсэн хүчил эсвэл суурь нэг түншийг бүхэлд нь зарцуулахад буфер шавхагдана. Үүний дараа pH-г илүүдэл хүчтэй хүчил эсвэл суурь тогтоох бөгөөд огцом өөрчлөгдөнө.

Буферийн хариултыг буруу болгодог алдаанууд

Буферийн бодлого хоёр төрлийн сэтгэлгээг хольдог: саармагжуулалтад стехиометр, pH-д тэнцвэр. Тэдгээрийг тэр дарааллаар нь хадгал.

• Харьцааг урвуу бичих. Энэ нь суурийг хүчилд хуваасан: log([A⁻]/[HA]).
• Саармагжуулалтын алхмыг хийхээсээ өмнө нэмсэн HCl эсвэл NaOH-ийг Хендерсон–Хассельбальхын тэгшитгэлд оруулах.
• Аммиакийн буферт pKa-ийн оронд pKb ашиглах. 25 °C-д pKa + pKb = 14.00-оор хөрвүүл.
• Түншүүд өөр өөр эзлэхүүнд байхад нэгийнх нь молийг нөгөөгийнх нь концентрацитай хольж хэрэглэх.
• Нэмсэн хүчил эсвэл суурь нэг түншийн хэмжээнээс хэтэрсний дараа буфер ажилласаар байна гэж үзэх.
• Ганц сул хүчил, эсвэл сул хүчил ба хүчтэй хүчлийг буфер гэж үзэх.