Tamponët: si e mbajnë pH-në të qëndrueshme një acid i dobët dhe baza e tij e konjuguar

Dy partnerë që neutralizojnë secili një kërcënim

Merr një përzierje acidi acetik, CH₃COOH, dhe acetati natriumi, që jep CH₃COO⁻. Nëse shtohet acid i fortë, joni acetat i merr protonet shtesë: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Nëse shtohet bazë e fortë, acidi acetik e neutralizon: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Të dy reaksionet shkojnë praktikisht deri në fund, ndaj acidi ose baza e fortë e shtuar shndërrohet në më shumë nga partneri i dobët. pH-ja prapë lëviz, sepse raporti acid–bazë ndryshon, por vetëm pak. Një tretësirë vetëm me acid të dobët nuk mund ta bëjë këtë, sepse pothuajse nuk ka bazë të konjuguar për të thithur acidin e shtuar.

Çiftet e zakonshme tampon përfshijnë acidin acetik me acetatin, amoniumin me amoniakun, dihidrogjenfosfatin me hidrogjenfosfatin, dhe acidin karbonik me hidrogjenkarbonatin. Çifti i fundit ndihmon ta mbajë gjakun e njeriut afër pH 7.4, siç përshkruan seksioni 14.6 i OpenStax.

Nxjerrja e Henderson–Hasselbalch nga shprehja e Ka

Nis nga Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] dhe zgjidh për hidroniumin: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Merr −log të të dyja anëve për të marrë pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Ky është ekuacioni Henderson–Hasselbalch.

Në një tampon, si HA ashtu edhe A⁻ janë të pranishëm në sasi të konsiderueshme dhe secili e shtyp reaksionin e tjetrit me ujin. Përqendrimet e tyre në ekuilibër janë prandaj pothuajse të barabarta me sasitë që përzien. Prandaj mund t'i vendosësh përqendrimet e përgatitura drejtpërdrejt në ekuacion pa tabelë ICE.

Meqenëse të dy partnerët ndodhen në të njëjtin vëllim, raporti i përqendrimeve është i barabartë me raportin e moleve. Mund të përdorësh drejtpërdrejt molet, çka kursen një hap pasi shtohet acid ose bazë.

• Kur [A⁻] = [HA], termi logaritmik është zero dhe pH = pKa.
• Çdo rritje dhjetëfish e raportit bazë–acid e ngre pH-në me një njësi.
• Më shumë bazë e konjuguar se acid jep një pH mbi pKa; më shumë acid jep një pH nën të.

Shembull i zgjidhur: pH-ja e një tamponi acetat

Një tampon përmban CH₃COOH 0.300 M dhe CH₃COONa 0.250 M. Shtojca H jep Ka = 1.8 × 10⁻⁵, ndaj pKa = 4.745. Atëherë pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Mbaje pKa të parrumbullakuar deri në fund. Rrumbullakimi i saj fillimisht në 4.74 jep 4.66. Diferenca është brenda pasigurisë së një Ka me dy shifra domethënëse, por rrumbullakimi një herë në fund i mban përgjigjet e tua në përputhje me një çelës përgjigjesh. pH-ja është pak nën pKa, siç pritej, sepse ka pak më shumë acid se bazë.

Shembull i zgjidhur: shtimi i acidit të fortë, pastaj i bazës së fortë

Shto 0.0200 mol HCl në 1.00 L të tamponit më sipër. Bëj së pari neutralizimin, si hap stekiometrie: H₃O⁺ shndërron 0.0200 mol acetat në acid acetik. Acidi acetik rritet nga 0.300 në 0.320 mol dhe acetati ulet nga 0.250 në 0.230 mol. Atëherë pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH-ja ra nga 4.67 në 4.60, më pak se një e dhjeta e njësisë.

Shtimi i të njëjtave 0.0200 mol HCl në 1.00 L ujë të pastër do të jepte [H₃O⁺] = 0.0200 M dhe një pH 1.70, një rënie prej më shumë se pesë njësish nga neutrali.

Tani shto 0.0500 mol NaOH në 1.00 L të freskët të tamponit fillestar. Hidroksidi shndërron 0.0500 mol acid acetik në acetat, duke lënë 0.250 mol acid dhe 0.300 mol bazë. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, një rritje nga 4.67 prej më pak se 0.2. Në ujë të pastër i njëjti NaOH do të jepte pH 12.70.

E njëjta logjikë të lejon të përgatitësh një tampon me neutralizim të pjesshëm. Përzierja e 0.0400 mol acid acetik me 0.0150 mol NaOH lë 0.0250 mol acid dhe 0.0150 mol acetat, ndaj pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, cilido qoftë vëllimi përfundimtar.

Projektimi i një tamponi për një pH të synuar

Së pari zgjidh një çift të konjuguar, pKa e të cilit është brenda një njësie nga pH-ja që dëshiron. Pastaj përdor Henderson–Hasselbalch së prapthi për të gjetur raportin dhe stekiometrinë për ta kthyer raportin në sasi.

Shembull i zgjidhur. Përgatit një tampon me pH 9.50 nga 500.0 mL amoniak 0.200 M duke shtuar klorur amoni të ngurtë. Partneri acid është NH₄⁺. Nga Shtojca I, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, ndaj pKb = 4.745 dhe pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Raporti i nevojshëm është [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 i ngritur në (9.50 − 9.255) = 1.76.

Balona përmban 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃, ndaj i duhen 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺. Me M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, kjo është rreth 3.0 g klorur amoni, e raportuar me dy shifra domethënëse sepse Kb ka dy. Në praktikë pastaj do ta kontrolloje pH-në me një matës të kalibruar dhe do ta rregulloje.

Kapaciteti i tamponit dhe intervali i dobishëm i pH-së

Intervali i tamponit është shtrirja e pH-së në të cilën një tampon funksionon mirë. Një raport 10:1 ose 1:10 i përgjigjet pH = pKa ± 1, dhe jashtë asaj shtrirjeje njëri partner është shumë i pakët për të thithur shumë më tepër acid ose bazë. Tamponët acetat janë të dobishëm nga rreth pH 3.7 deri në 5.7, dhe tamponët e amoniakut nga rreth 8.3 deri në 10.3.

Kapaciteti i tamponit është sasia e acidit ose bazës që një tampon mund të thithë para se pH-ja e tij të ndryshojë shumë. Ai varet nga sa është i pranishëm secili partner, jo vetëm nga raporti i tyre. Krahaso dy tamponë acetat, secili 1.00 L me acid dhe bazë të barabarta. Të dy nisin në pH = pKa = 4.74. Me 0.100 M nga secili, shtimi i 0.00500 mol HCl e ul pH-në me 0.04, në 4.70. Me 0.0100 M nga secili, i njëjti shtim e ul me gati gjysmë njësie, në 4.27. Raporti ishte i njëjtë, por tamponi i holluar kishte një të dhjetën e kapacitetit.

Një tampon shterohet kur acidi ose baza e shtuar harxhon tërë njërin partner. Pas kësaj, pH-ja përcaktohet nga teprica e acidit ose bazës së fortë dhe ndryshon ndjeshëm.

Gabimet që e bëjnë të gabuar një përgjigje për tamponin

Problemet e tamponëve përziejnë dy lloje arsyetimi: stekiometrinë për neutralizimin dhe ekuilibrin për pH-në. Mbaji në këtë radhë.

• Shkrimi i raportit përmbys. Ai është baza mbi acidin: log([A⁻]/[HA]).
• Vendosja e HCl ose NaOH të shtuar në ekuacionin Henderson–Hasselbalch para se të bësh hapin e neutralizimit.
• Përdorimi i pKb në vend të pKa për një tampon amoniaku. Shndërroje me pKa + pKb = 14.00 në 25 °C.
• Përzierja e moleve për njërin partner me përqendrimin për tjetrin kur ata janë në vëllime të ndryshme.
• Supozimi se një tampon funksionon ende pasi acidi ose baza e shtuar e tejkalon sasinë e njërit partner.
• Trajtimi si tampon i një acidi të dobët të vetëm, ose i një acidi të dobët me një acid të fortë.