Пуфери: како слаба киселина и њена конјугована база одржавају сталан pH

Два партнера од којих сваки неутралише по једну претњу

Узмите смешу сирћетне киселине, CH₃COOH, и натријум-ацетата, који даје CH₃COO⁻. Ако се дода јака киселина, ацетатни јон преузима вишак протона: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Ако се дода јака база, сирћетна киселина је неутралише: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Обе реакције теку практично до краја, па се додата јака киселина или база претвара у додатну количину слабог партнера. pH се ипак помера, јер се мења однос киселине и базе, али само мало. Раствор саме слабе киселине то не може, јер готово да нема конјуговане базе која би апсорбовала додату киселину.

Уобичајени пуферски парови су сирћетна киселина са ацетатом, амонијум са амонијаком, дихидроген-фосфат са хидроген-фосфатом и угљена киселина са хидроген-карбонатом. Последњи пар помаже да се pH људске крви одржи близу 7.4, као што описује одељак 14.6 у OpenStax-у.

Извођење Хендерсон–Хаселбалхове једначине из израза за Ka

Пођите од Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] и изразите хидронијум: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Примените −log на обе стране и добићете pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). То је Хендерсон–Хаселбалхова једначина.

У пуферу су и HA и A⁻ присутни у знатним количинама и свака од ових врста потискује реакцију оне друге са водом. Њихове равнотежне концентрације стога су готово једнаке количинама које сте помешали. Зато припремљене концентрације можете директно уврстити у једначину, без ICE табеле.

Пошто се оба партнера налазе у истој запремини, однос концентрација једнак је односу молова. Молове можете користити директно, чиме се штеди један корак после додавања киселине или базе.

• Када је [A⁻] = [HA], логаритамски члан је нула и pH = pKa.
• Свако десетоструко повећање односа базе и киселине подиже pH за једну јединицу.
• Више конјуговане базе него киселине даје pH изнад pKa; више киселине даје pH испод њега.

Решени пример: pH ацетатног пуфера

Пуфер садржи 0.300 M CH₃COOH и 0.250 M CH₃COONa. Додатак H наводи Ka = 1.8 × 10⁻⁵, па је pKa = 4.745. Тада је pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Носите незаокружену pKa до краја. Ако је прво заокружите на 4.74, добићете 4.66. Разлика је у границама несигурности Ka са две значајне цифре, али заокруживање само једном, на крају, одржава ваше одговоре у складу са кључем одговора. pH је мало испод pKa, као што се очекује, јер има нешто више киселине него базе.

Решени пример: додавање јаке киселине, а затим јаке базе

Додајте 0.0200 mol HCl у 1.00 L горњег пуфера. Најпре изведите неутрализацију, као стехиометријски корак: H₃O⁺ претвара 0.0200 mol ацетата у сирћетну киселину. Сирћетна киселина расте са 0.300 на 0.320 mol, а ацетат опада са 0.250 на 0.230 mol. Тада је pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH је опао са 4.67 на 4.60, мање од десетине јединице.

Додавање истих 0.0200 mol HCl у 1.00 L чисте воде дало би [H₃O⁺] = 0.0200 M и pH 1.70, што је пад од више од пет јединица у односу на неутралну вредност.

Сада додајте 0.0500 mol NaOH у нових 1.00 L првобитног пуфера. Хидроксид претвара 0.0500 mol сирћетне киселине у ацетат, па остаје 0.250 mol киселине и 0.300 mol базе. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, што је пораст од 4.67 мањи од 0.2. У чистој води исти NaOH дао би pH 12.70.

Иста логика омогућава да се пуфер направи делимичном неутрализацијом. Мешањем 0.0400 mol сирћетне киселине са 0.0150 mol NaOH остаје 0.0250 mol киселине и 0.0150 mol ацетата, па је pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, без обзира на коначну запремину.

Пројектовање пуфера за циљни pH

Најпре изаберите конјуговани пар чија је pKa у оквиру једне јединице од жељеног pH. Затим помоћу Хендерсон–Хаселбалхове једначине уназад нађите однос, а помоћу стехиометрије претворите однос у количине.

Решени пример. Припремите пуфер pH 9.50 од 500.0 mL амонијака концентрације 0.200 M додавањем чврстог амонијум-хлорида. Кисели партнер је NH₄⁺. Према Додатку I, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, па је pKb = 4.745, а pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Потребан однос је [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 на степен (9.50 − 9.255) = 1.76.

Тиквица садржи 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃, па је потребно 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺. Уз M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, то је око 3.0 g амонијум-хлорида, наведено на две значајне цифре јер Kb има две. У пракси бисте затим проверили pH калибрисаним pH-метром и подесили га.

Капацитет пуфера и корисни опсег pH

Опсег пуфера је распон pH у којем пуфер добро функционише. Однос 10:1 или 1:10 одговара pH = pKa ± 1, а изван тог распона једног партнера има премало да би апсорбовао још много киселине или базе. Ацетатни пуфери корисни су од око pH 3.7 до 5.7, а амонијачни пуфери од око 8.3 до 10.3.

Капацитет пуфера је количина киселине или базе коју пуфер може да апсорбује пре него што се његов pH знатно промени. Зависи од тога колико је сваког партнера присутно, а не само од њиховог односа. Упоредите два ацетатна пуфера, сваки од 1.00 L са једнаким количинама киселине и базе. Оба почињу на pH = pKa = 4.74. Са по 0.100 M од сваког, додавање 0.00500 mol HCl снижава pH за 0.04, на 4.70. Са по 0.0100 M од сваког, исто додавање снижава га за готово пола јединице, на 4.27. Однос је био исти, али је разблажени пуфер имао десет пута мањи капацитет.

Пуфер је исцрпљен када додата киселина или база потроши целокупну количину једног партнера. После тога pH одређује вишак јаке киселине или базе и он се нагло мења.

Грешке због којих је одговор о пуферу погрешан

Задаци о пуферима мешају две врсте закључивања: стехиометрију за неутрализацију и равнотежу за pH. Држите их тим редоследом.

• Писање односа наопако. То је база кроз киселину: log([A⁻]/[HA]).
• Уношење додате HCl или NaOH у Хендерсон–Хаселбалхову једначину пре корака неутрализације.
• Коришћење pKb уместо pKa за амонијачни пуфер. Претворите помоћу pKa + pKb = 14.00 на 25 °C.
• Мешање молова за једног партнера са концентрацијом за другог када су у различитим запреминама.
• Претпоставка да пуфер и даље функционише пошто додата киселина или база премаши количину једног партнера.
• Третирање саме слабе киселине, или слабе киселине са јаком киселином, као пуфера.