बफर: कमजोर अम्ल र यसको संयुग्मी क्षारले pH लाई कसरी स्थिर राख्छन्

दुई साझेदार, प्रत्येकले एउटा खतरा उदासीन पार्छ

एसिटिक अम्ल, CH₃COOH, र CH₃COO⁻ दिने सोडियम एसिटेटको मिश्रण लिनुहोस्। बलियो अम्ल थपिएमा एसिटेट आयनले अतिरिक्त प्रोटोन लिन्छ: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O। बलियो क्षार थपिएमा एसिटिक अम्लले यसलाई उदासीन पार्छ: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O।

दुवै अभिक्रिया लगभग पूर्णतासम्म जान्छन्, त्यसैले थपिएको बलियो अम्ल वा क्षार कमजोर साझेदारको थप परिमाणमा रूपान्तरित हुन्छ। अम्ल र क्षारको अनुपात बदलिने भएकाले pH अझै सर्छ, तर थोरै मात्र। कमजोर अम्लको मात्र विलयनले यो गर्न सक्दैन, किनभने थपिएको अम्ल सोस्न यसमा संयुग्मी क्षार लगभग हुँदैन।

सामान्य बफर जोडीमा एसिटिक अम्ल र एसिटेट, एमोनियम र अमोनिया, डाइहाइड्रोजन फस्फेट र हाइड्रोजन फस्फेट, र कार्बोनिक अम्ल र हाइड्रोजन कार्बोनेट पर्छन्। OpenStax खण्ड 14.6 ले वर्णन गरेझैँ अन्तिम जोडीले मानव रगतलाई pH 7.4 नजिक राख्न मद्दत गर्छ।

Ka को अभिव्यक्तिबाट हेन्डरसन–हासेलबाख व्युत्पन्न गर्ने

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] बाट सुरु गर्नुहोस् र हाइड्रोनियमका लागि हल गर्नुहोस्: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]। दुवै पक्षको −log लिँदा pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) आउँछ। यही हेन्डरसन–हासेलबाख समीकरण हो।

बफरमा HA र A⁻ दुवै उल्लेखनीय परिमाणमा हुन्छन्, र प्रत्येकले अर्कोको पानीसँगको अभिक्रियालाई दबाउँछ। त्यसैले तिनका साम्यावस्था सान्द्रता तपाईंले मिसाएको परिमाणसँग लगभग बराबर हुन्छन्। यसैकारण तपाईं ICE तालिकाविना तयार गरिएका सान्द्रता सिधै समीकरणमा राख्न सक्नुहुन्छ।

दुवै साझेदार उही आयतनमा हुने भएकाले सान्द्रताको अनुपात मोलको अनुपात बराबर हुन्छ। तपाईं सिधै मोल प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ, जसले अम्ल वा क्षार थपेपछि एउटा चरण बचाउँछ।

• [A⁻] = [HA] हुँदा log पद शून्य हुन्छ र pH = pKa।
• क्षार–अम्ल अनुपातमा हुने प्रत्येक दस गुणा वृद्धिले pH लाई एक एकाइले बढाउँछ।
• अम्लभन्दा बढी संयुग्मी क्षारले pKa भन्दा माथिको pH दिन्छ; बढी अम्लले यसभन्दा तलको pH दिन्छ।

हल गरिएको उदाहरण: एसिटेट बफरको pH

एउटा बफरमा 0.300 M CH₃COOH र 0.250 M CH₃COONa छन्। परिशिष्ट H ले Ka = 1.8 × 10⁻⁵ दिन्छ, त्यसैले pKa = 4.745। त्यसपछि pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67।

अन्त्यसम्म राउन्ड नगरिएको pKa लैजानुहोस्। यसलाई पहिल्यै 4.74 मा राउन्ड गर्दा 4.66 आउँछ। यो फरक दुई सार्थक अंकको Ka को अनिश्चितताभित्र पर्छ, तर अन्त्यमा एकपटक मात्र राउन्ड गर्दा तपाईंका उत्तर उत्तरकुञ्जीसँग सुसङ्गत रहन्छन्। अम्ल क्षारभन्दा अलि बढी भएकाले अपेक्षाअनुसार pH pKa भन्दा अलिकति तल छ।

हल गरिएको उदाहरण: बलियो अम्ल, त्यसपछि बलियो क्षार थप्ने

माथिको बफरको 1.00 L मा 0.0200 mol HCl थप्नुहोस्। पहिले स्टोइकियोमेट्रीको चरणका रूपमा उदासीनीकरण गर्नुहोस्: H₃O⁺ ले 0.0200 mol एसिटेटलाई एसिटिक अम्लमा बदल्छ। एसिटिक अम्ल 0.300 बाट 0.320 mol मा बढ्छ र एसिटेट 0.250 बाट 0.230 mol मा घट्छ। त्यसपछि pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60। pH 4.67 बाट 4.60 मा झर्‍यो, एक एकाइको दशौँ भागभन्दा कम।

उही 0.0200 mol HCl लाई 1.00 L शुद्ध पानीमा थप्दा [H₃O⁺] = 0.0200 M र pH 1.70 हुने थियो, तटस्थबाट पाँच एकाइभन्दा बढीको गिरावट।

अब मूल बफरको नयाँ 1.00 L मा 0.0500 mol NaOH थप्नुहोस्। हाइड्रोक्साइडले 0.0500 mol एसिटिक अम्ललाई एसिटेटमा बदल्छ, र 0.250 mol अम्ल र 0.300 mol क्षार बाँकी रहन्छ। pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 4.67 बाट 0.2 भन्दा कमको वृद्धि। शुद्ध पानीमा उही NaOH ले pH 12.70 दिने थियो।

उही तर्कले तपाईंलाई आंशिक उदासीनीकरणबाट बफर बनाउन दिन्छ। 0.0400 mol एसिटिक अम्ललाई 0.0150 mol NaOH सँग मिसाउँदा 0.0250 mol अम्ल र 0.0150 mol एसिटेट बाँकी रहन्छ, त्यसैले अन्तिम आयतन जति भए पनि pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52।

लक्षित pH का लागि बफर तयार गर्ने

पहिले तपाईंलाई चाहिएको pH को एक एकाइभित्र pKa भएको संयुग्मी जोडी छान्नुहोस्। त्यसपछि अनुपात पत्ता लगाउन हेन्डरसन–हासेलबाखलाई उल्टो प्रयोग गर्नुहोस्, र अनुपातलाई परिमाणमा बदल्न स्टोइकियोमेट्री प्रयोग गर्नुहोस्।

हल गरिएको उदाहरण। 0.200 M अमोनियाको 500.0 mL मा ठोस एमोनियम क्लोराइड थपेर pH 9.50 को बफर तयार गर्नुहोस्। अम्ल साझेदार NH₄⁺ हो। परिशिष्ट I बाट Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, त्यसैले pKb = 4.745 र pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255। आवश्यक अनुपात [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 को घात (9.50 − 9.255) = 1.76 हो।

फ्लास्कमा 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ छ, त्यसैले यसलाई 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ चाहिन्छ। M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol सँग त्यो करिब 3.0 g एमोनियम क्लोराइड हो, दुई सार्थक अंकमा प्रतिवेदन गरिएको किनभने Kb मा दुईओटा छन्। व्यवहारमा त्यसपछि तपाईंले अंशांकित मिटरले pH जाँच्नुहुन्छ र मिलाउनुहुन्छ।

बफर क्षमता र उपयोगी pH दायरा

बफर दायरा भनेको बफरले राम्ररी काम गर्ने pH को फैलावट हो। 10:1 वा 1:10 को अनुपात pH = pKa ± 1 सँग मेल खान्छ, र त्यो फैलावटबाहिर एउटा साझेदार थप अम्ल वा क्षार सोस्न निकै कम हुन्छ। एसिटेट बफर करिब pH 3.7 देखि 5.7 सम्म, र अमोनिया बफर करिब 8.3 देखि 10.3 सम्म उपयोगी हुन्छन्।

बफर क्षमता भनेको pH धेरै नबदलिई बफरले सोस्न सक्ने अम्ल वा क्षारको परिमाण हो। यो तिनको अनुपातमा मात्र होइन, प्रत्येक साझेदार कति उपस्थित छ भन्नेमा निर्भर गर्छ। बराबर अम्ल र क्षार भएका, प्रत्येक 1.00 L का दुईओटा एसिटेट बफर तुलना गर्नुहोस्। दुवै pH = pKa = 4.74 बाट सुरु हुन्छन्। प्रत्येकको 0.100 M हुँदा 0.00500 mol HCl थप्दा pH 0.04 ले घटेर 4.70 हुन्छ। प्रत्येकको 0.0100 M हुँदा उही थपले यसलाई लगभग आधा एकाइले घटाएर 4.27 बनाउँछ। अनुपात उही थियो, तर तनु बफरको क्षमता दशौँ भाग मात्र थियो।

थपिएको अम्ल वा क्षारले एउटा साझेदार पूरै खपत गरेपछि बफर सकिन्छ। त्यसपछि pH अधिक भएको बलियो अम्ल वा क्षारले तय गर्छ, र यो तीव्र रूपमा बदलिन्छ।

बफरको उत्तर गलत बनाउने गल्ती

बफरका समस्याले दुई प्रकारका तर्क मिसाउँछन्: उदासीनीकरणका लागि स्टोइकियोमेट्री र pH का लागि साम्यावस्था। तिनलाई यही क्रममा राख्नुहोस्।

• अनुपात उल्टो लेख्नु। यो क्षार भाग अम्ल हो: log([A⁻]/[HA])।
• उदासीनीकरणको चरण गर्नुअघि थपिएको HCl वा NaOH लाई हेन्डरसन–हासेलबाख समीकरणमा राख्नु।
• अमोनिया बफरका लागि pKa को सट्टा pKb प्रयोग गर्नु। 25 °C मा pKa + pKb = 14.00 प्रयोग गरी रूपान्तरण गर्नुहोस्।
• दुई साझेदार फरक आयतनमा हुँदा एउटाका लागि मोल र अर्कोका लागि सान्द्रता मिसाउनु।
• थपिएको अम्ल वा क्षार एउटा साझेदारको परिमाणभन्दा बढी भएपछि पनि बफरले काम गर्छ भन्ठान्नु।
• कमजोर अम्ल मात्रलाई, वा बलियो अम्लसहितको कमजोर अम्ललाई बफर ठान्नु।