बफर: दुर्बल आम्ल आणि त्याची संयुग्मी आम्लारी pH स्थिर कसा ठेवतात

प्रत्येकी एक धोका निष्प्रभ करणारे दोन भागीदार

ॲसिटिक आम्ल, CH₃COOH, आणि CH₃COO⁻ पुरवणारे सोडियम ॲसिटेट यांचे मिश्रण घ्या. प्रबल आम्ल घातल्यास ॲसिटेट आयन अतिरिक्त प्रोटॉन स्वीकारतो: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. प्रबल आम्लारी घातल्यास ॲसिटिक आम्ल तिचे उदासिनीकरण करते: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

दोन्ही अभिक्रिया मूलतः पूर्णत्वाला जातात, म्हणून घातलेले प्रबल आम्ल किंवा आम्लारी दुर्बल भागीदाराच्या अधिक प्रमाणात रूपांतरित होते. pH तरीही सरकतो, कारण आम्ल आणि आम्लारीचे गुणोत्तर बदलते, पण फक्त किंचित. केवळ दुर्बल आम्लाचे द्रावण हे करू शकत नाही, कारण घातलेले आम्ल शोषून घेण्यासाठी त्याच्याकडे जवळजवळ संयुग्मी आम्लारी नसते.

सामान्य बफर जोड्यांमध्ये ॲसिटिक आम्ल आणि ॲसिटेट, अमोनियम आणि अमोनिया, डायहायड्रोजन फॉस्फेट आणि हायड्रोजन फॉस्फेट, आणि कार्बोनिक आम्ल आणि हायड्रोजन कार्बोनेट यांचा समावेश होतो. OpenStax विभाग 14.6 वर्णन करतो त्याप्रमाणे शेवटची जोडी मानवी रक्त pH 7.4 च्या जवळ राखण्यास मदत करते.

Ka अभिव्यक्तीवरून हेंडरसन–हॅसलबाख सिद्ध करणे

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] पासून सुरुवात करा आणि हायड्रोनियमसाठी सोडवा: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. दोन्ही बाजूंचा −log घेतल्यास pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) मिळते. हेच हेंडरसन–हॅसलबाख समीकरण आहे.

बफरमध्ये HA आणि A⁻ दोन्ही लक्षणीय प्रमाणात उपस्थित असतात, आणि प्रत्येक दुसऱ्याची पाण्याशी होणारी अभिक्रिया दाबून ठेवतो. म्हणून त्यांच्या समतोल संहती तुम्ही मिसळलेल्या प्रमाणांच्या जवळजवळ बरोबर असतात. म्हणूनच तयार केलेल्या संहती ICE तक्त्याशिवाय थेट समीकरणात ठेवता येतात.

दोन्ही भागीदार एकाच आकारमानात असल्याने संहतींचे गुणोत्तर मोलच्या गुणोत्तराइतके असते. तुम्ही थेट मोल वापरू शकता, ज्यामुळे आम्ल किंवा आम्लारी घातल्यानंतर एक पायरी वाचते.

• [A⁻] = [HA] असताना log पद शून्य असते आणि pH = pKa.
• आम्लारी-ते-आम्ल गुणोत्तरातील प्रत्येक दहापट वाढ pH एका एककाने वाढवते.
• आम्लापेक्षा अधिक संयुग्मी आम्लारी असल्यास pH हा pKa च्या वर येतो; अधिक आम्ल असल्यास त्याच्या खाली.

सोडवलेले उदाहरण: ॲसिटेट बफरचा pH

एका बफरमध्ये 0.300 M CH₃COOH आणि 0.250 M CH₃COONa आहे. परिशिष्ट H Ka = 1.8 × 10⁻⁵ देते, म्हणून pKa = 4.745. मग pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

अपूर्णांकित pKa शेवटपर्यंत वापरा. तो आधीच 4.74 पर्यंत पूर्णांकित केल्यास 4.66 मिळते. हा फरक दोन सार्थ अंकांच्या Ka च्या अनिश्चिततेच्या आत आहे, पण शेवटी एकदाच पूर्णांकन केल्याने तुमची उत्तरे उत्तरसूचीशी सुसंगत राहतात. अपेक्षेप्रमाणे pH हा pKa च्या किंचित खाली आहे, कारण आम्लारीपेक्षा आम्ल थोडे जास्त आहे.

सोडवलेले उदाहरण: प्रबल आम्ल, मग प्रबल आम्लारी घालणे

वरील बफरच्या 1.00 L मध्ये 0.0200 mol HCl घाला. आधी उदासिनीकरण रससमीकरणमितीची पायरी म्हणून करा: H₃O⁺ 0.0200 mol ॲसिटेटचे ॲसिटिक आम्लात रूपांतर करते. ॲसिटिक आम्ल 0.300 वरून 0.320 mol पर्यंत वाढते आणि ॲसिटेट 0.250 वरून 0.230 mol पर्यंत कमी होते. मग pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67 वरून 4.60 पर्यंत, एका एककाच्या दशांशापेक्षा कमी, घसरला.

तेच 0.0200 mol HCl 1.00 L शुद्ध पाण्यात घातल्यास [H₃O⁺] = 0.0200 M आणि pH 1.70 मिळेल, उदासीन बिंदूपासून पाच एककांपेक्षा जास्त घसरण.

आता मूळ बफरच्या नव्या 1.00 L मध्ये 0.0500 mol NaOH घाला. हायड्रॉक्साइड 0.0500 mol ॲसिटिक आम्लाचे ॲसिटेटमध्ये रूपांतर करते, आणि 0.250 mol आम्ल व 0.300 mol आम्लारी उरते. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 4.67 वरून 0.2 पेक्षा कमी वाढ. शुद्ध पाण्यात तेच NaOH pH 12.70 देईल.

याच तर्काने तुम्ही आंशिक उदासिनीकरणाने बफर तयार करू शकता. 0.0400 mol ॲसिटिक आम्ल 0.0150 mol NaOH शी मिसळल्यास 0.0250 mol आम्ल आणि 0.0150 mol ॲसिटेट उरते, म्हणून अंतिम आकारमान कितीही असले तरी pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

लक्ष्य pH साठी बफरची रचना

आधी अशी संयुग्मी जोडी निवडा जिचा pKa तुम्हाला हव्या असलेल्या pH च्या एका एककाच्या आत आहे. मग गुणोत्तर शोधण्यासाठी हेंडरसन–हॅसलबाख उलट दिशेने वापरा, आणि गुणोत्तराचे प्रमाणांत रूपांतर करण्यासाठी रससमीकरणमिती वापरा.

सोडवलेले उदाहरण. 0.200 M अमोनियाच्या 500.0 mL मध्ये घन अमोनियम क्लोराइड घालून pH 9.50 चा बफर तयार करा. आम्ल भागीदार NH₄⁺ आहे. परिशिष्ट I वरून Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, म्हणून pKb = 4.745 आणि pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. आवश्यक गुणोत्तर [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 चा (9.50 − 9.255) घात = 1.76.

फ्लास्कमध्ये 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ आहे, म्हणून त्याला 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ लागते. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol सह ते सुमारे 3.0 g अमोनियम क्लोराइड आहे, दोन सार्थ अंकांपर्यंत नोंदवले कारण Kb मध्ये दोन आहेत. प्रत्यक्षात तुम्ही मग प्रमाणित (कॅलिब्रेट केलेल्या) मीटरने pH तपासाल आणि समायोजन कराल.

बफर क्षमता आणि उपयुक्त pH कक्षा

बफर कक्षा म्हणजे ज्या pH पल्ल्यावर बफर चांगले काम करतो तो पल्ला. 10:1 किंवा 1:10 गुणोत्तर pH = pKa ± 1 शी संबंधित असते, आणि त्या पल्ल्याबाहेर एक भागीदार आणखी जास्त आम्ल किंवा आम्लारी शोषण्यासाठी फारच कमी असतो. ॲसिटेट बफर सुमारे pH 3.7 ते 5.7 पर्यंत उपयुक्त असतात, आणि अमोनिया बफर सुमारे 8.3 ते 10.3 पर्यंत.

बफर क्षमता म्हणजे बफरचा pH मोठ्या प्रमाणात बदलण्यापूर्वी तो शोषू शकणारे आम्ल किंवा आम्लारीचे प्रमाण. ती फक्त गुणोत्तरावर नव्हे तर प्रत्येक भागीदार किती प्रमाणात उपस्थित आहे यावर अवलंबून असते. समान आम्ल आणि आम्लारी असलेल्या, प्रत्येकी 1.00 L च्या दोन ॲसिटेट बफरांची तुलना करा. दोन्ही pH = pKa = 4.74 वर सुरू होतात. प्रत्येकी 0.100 M असताना 0.00500 mol HCl घातल्याने pH 0.04 ने कमी होऊन 4.70 होतो. प्रत्येकी 0.0100 M असताना तेच घातल्याने तो जवळजवळ अर्ध्या एककाने कमी होऊन 4.27 होतो. गुणोत्तर तेच होते, पण विरल बफरची क्षमता दहावा भाग होती.

घातलेले आम्ल किंवा आम्लारी एका भागीदाराचे संपूर्ण प्रमाण वापरते तेव्हा बफर संपतो. त्यानंतर pH अतिरिक्त प्रबल आम्ल किंवा आम्लारीने ठरतो, आणि तो झपाट्याने बदलतो.

बफरचे उत्तर चुकवणाऱ्या चुका

बफरच्या प्रश्नांत दोन प्रकारच्या तर्कांची सांगड असते: उदासिनीकरणासाठी रससमीकरणमिती आणि pH साठी समतोल. त्यांना याच क्रमाने ठेवा.

• गुणोत्तर उलटे लिहिणे. ते आम्लारी भागिले आम्ल आहे: log([A⁻]/[HA]).
• उदासिनीकरणाची पायरी करण्यापूर्वीच घातलेले HCl किंवा NaOH हेंडरसन–हॅसलबाख समीकरणात ठेवणे.
• अमोनिया बफरसाठी pKa च्या जागी pKb वापरणे. 25 °C वर pKa + pKb = 14.00 वापरून रूपांतर करा.
• भागीदार वेगवेगळ्या आकारमानांत असताना एकासाठी मोल आणि दुसऱ्यासाठी संहती वापरणे.
• घातलेले आम्ल किंवा आम्लारी एका भागीदाराच्या प्रमाणापेक्षा जास्त झाल्यानंतरही बफर काम करतो असे गृहीत धरणे.
• केवळ दुर्बल आम्लाला, किंवा प्रबल आम्लासह दुर्बल आम्लाला, बफर मानणे.