Ruka hadi maudhui
HujaingiaIngia

Vibafa: Jinsi Asidi Dhaifu na Besi Yake Kiunganishi Zinavyoweka pH Thabiti

Kibafa ni myeyusho unaoweka pH yake karibu bila kubadilika wakati kiasi kidogo cha asidi kali au besi kali kinaongezwa. Hufanya hivyo kwa asidi dhaifu na besi yake kiunganishi zikiwa pamoja kwa viasi vinavyokaribiana. Mwongozo huu unaeleza kwa nini hilo linafanya kazi, unatokeza mlinganyo wa Henderson–Hasselbalch, na unapitia kukokotoa pH ya kibafa, mwitikio wake kwa asidi na besi iliyoongezwa, na jinsi ya kuandaa kimoja katika pH iliyochaguliwa. Konstanti ziko katika 25 °C kutoka OpenStax Chemistry 2e Viambatisho H na I.

Ilichapishwa

Wenzi wawili, kila mmoja akizima tishio moja

Chukua mchanganyiko wa asidi ya asetiki, CH₃COOH, na asetati ya sodiamu, inayotoa CH₃COO⁻. Asidi kali ikiongezwa, ioni ya asetati huchukua protoni za ziada: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Besi kali ikiongezwa, asidi ya asetiki huiondolea nguvu: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Athari zote mbili kimsingi hukamilika, kwa hivyo asidi kali au besi kali iliyoongezwa hugeuzwa kuwa zaidi ya mwenzi dhaifu. pH bado husogea, kwa sababu uwiano wa asidi kwa besi hubadilika, lakini kidogo tu. Myeyusho wa asidi dhaifu pekee hauwezi kufanya hivi, kwa sababu karibu hauna besi kiunganishi ya kufyonza asidi iliyoongezwa.

Jozi za kawaida za vibafa ni pamoja na asidi ya asetiki na asetati, amoniamu na amonia, dihaidrojeni fosfati na haidrojeni fosfati, na asidi ya kaboniki na haidrojeni kabonati. Jozi ya mwisho husaidia kuweka damu ya binadamu karibu na pH 7.4, kama OpenStax sehemu 14.6 inavyoeleza.

Kutokeza Henderson–Hasselbalch kutoka kwa usemi wa Ka

Anza na Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] na utatue kupata hidroniamu: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Chukua −log ya pande zote mbili kupata pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Huu ndio mlinganyo wa Henderson–Hasselbalch.

Katika kibafa, HA na A⁻ zote zipo kwa viasi vikubwa, na kila moja huzuia athari ya nyingine na maji. Kwa hivyo mikusanyiko yao ya usawa karibu ni sawa na viasi ulivyochanganya. Ndiyo sababu unaweza kuweka mikusanyiko iliyoandaliwa moja kwa moja katika mlinganyo bila jedwali la ICE.

Kwa kuwa wenzi wote wawili wako katika ujazo ule ule, uwiano wa mikusanyiko ni sawa na uwiano wa mole. Unaweza kutumia mole moja kwa moja, jambo linalookoa hatua moja baada ya asidi au besi kuongezwa.

  • Wakati [A⁻] = [HA], kipengele cha log ni sifuri na pH = pKa.
  • Kila ongezeko la mara kumi katika uwiano wa besi kwa asidi hupandisha pH kwa kizio kimoja.
  • Besi kiunganishi zaidi kuliko asidi hutoa pH juu ya pKa; asidi zaidi hutoa pH chini yake.

Mfano uliotatuliwa: pH ya kibafa cha asetati

Kibafa kina CH₃COOH ya 0.300 M na CH₃COONa ya 0.250 M. Kiambatisho H kinatoa Ka = 1.8 × 10⁻⁵, kwa hivyo pKa = 4.745. Kisha pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Beba pKa isiyozungushwa hadi mwisho. Kuizungusha kwanza hadi 4.74 kunatoa 4.66. Tofauti iko ndani ya kutokuwa na uhakika kwa Ka yenye tarakimu mbili muhimu, lakini kuzungusha mara moja mwishoni huweka majibu yako sambamba na ufunguo wa majibu. pH iko chini kidogo ya pKa, kama inavyotarajiwa, kwa sababu kuna asidi kidogo zaidi kuliko besi.

Mfano uliotatuliwa: kuongeza asidi kali, kisha besi kali

Ongeza 0.0200 mol ya HCl kwa 1.00 L ya kibafa kilicho hapo juu. Fanya uondoaji wa nguvu kwanza, kama hatua ya stoikiometri: H₃O⁺ hugeuza 0.0200 mol ya asetati kuwa asidi ya asetiki. Asidi ya asetiki hupanda kutoka 0.300 hadi 0.320 mol na asetati hushuka kutoka 0.250 hadi 0.230 mol. Kisha pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH ilishuka kutoka 4.67 hadi 4.60, chini ya sehemu moja ya kumi ya kizio.

Kuongeza 0.0200 mol ile ile ya HCl kwa 1.00 L ya maji safi kungetoa [H₃O⁺] = 0.0200 M na pH ya 1.70, mshuko wa zaidi ya vizio vitano kutoka hali isiyo na upande.

Sasa ongeza 0.0500 mol ya NaOH kwa 1.00 L mpya ya kibafa cha awali. Hidroksidi hugeuza 0.0500 mol ya asidi ya asetiki kuwa asetati, ikiacha 0.250 mol ya asidi na 0.300 mol ya besi. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, ongezeko kutoka 4.67 la chini ya 0.2. Katika maji safi NaOH ile ile ingetoa pH 12.70.

Mantiki ile ile inakuwezesha kutengeneza kibafa kwa uondoaji wa nguvu wa sehemu. Kuchanganya 0.0400 mol ya asidi ya asetiki na 0.0150 mol ya NaOH huacha 0.0250 mol ya asidi na 0.0150 mol ya asetati, kwa hivyo pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, bila kujali ujazo wa mwisho.

Kubuni kibafa kwa pH lengwa

Kwanza chagua jozi ya kiunganishi ambayo pKa yake iko ndani ya kizio kimoja cha pH unayotaka. Kisha tumia Henderson–Hasselbalch kinyumenyume kupata uwiano, na stoikiometri kugeuza uwiano kuwa viasi.

Mfano uliotatuliwa. Andaa kibafa cha pH 9.50 kutoka 500.0 mL ya amonia ya 0.200 M kwa kuongeza kloridi ya amonia kigumu. Mwenzi wa asidi ni NH₄⁺. Kutoka Kiambatisho I, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, kwa hivyo pKb = 4.745 na pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Uwiano unaohitajika ni [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 iliyoinuliwa kwa (9.50 − 9.255) = 1.76.

Chupa ina 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol ya NH₃, kwa hivyo inahitaji 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol ya NH₄⁺. Kwa M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, hiyo ni takriban 3.0 g ya kloridi ya amonia, huripotiwa kwa tarakimu mbili muhimu kwa sababu Kb ina mbili. Kwa vitendo kisha ungekagua pH kwa mita iliyorekebishwa na kusahihisha.

Uwezo wa kibafa na safu ya pH inayofaa

Safu ya kibafa ni kipindi cha pH ambamo kibafa hufanya kazi vizuri. Uwiano wa 10:1 au 1:10 unalingana na pH = pKa ± 1, na nje ya kipindi hicho mwenzi mmoja ni haba mno kuweza kufyonza asidi au besi nyingi zaidi. Vibafa vya asetati vinafaa kutoka takriban pH 3.7 hadi 5.7, na vibafa vya amonia kutoka takriban 8.3 hadi 10.3.

Uwezo wa kibafa ni kiasi cha asidi au besi ambacho kibafa kinaweza kufyonza kabla pH yake haijabadilika sana. Hutegemea kiasi cha kila mwenzi kilichopo, si uwiano wao pekee. Linganisha vibafa viwili vya asetati, kila kimoja 1.00 L chenye asidi na besi sawa. Vyote viwili huanza katika pH = pKa = 4.74. Kwa 0.100 M ya kila kimoja, kuongeza 0.00500 mol ya HCl hushusha pH kwa 0.04, hadi 4.70. Kwa 0.0100 M ya kila kimoja, nyongeza ile ile huishusha kwa karibu nusu kizio, hadi 4.27. Uwiano ulikuwa ule ule, lakini kibafa chepesi kilikuwa na sehemu moja ya kumi ya uwezo.

Kibafa huishiwa wakati asidi au besi iliyoongezwa inapotumia mwenzi mmoja wote. Baada ya hapo, pH huamuliwa na asidi kali au besi kali iliyozidi, na hubadilika kwa kasi.

Makosa yanayofanya jibu la kibafa kuwa si sahihi

Matatizo ya vibafa huchanganya aina mbili za hoja: stoikiometri kwa uondoaji wa nguvu na usawa kwa pH. Zifuate kwa mpangilio huo.

  • Kuandika uwiano kichwa chini. Ni besi juu ya asidi: log([A⁻]/[HA]).
  • Kuweka HCl au NaOH iliyoongezwa katika mlinganyo wa Henderson–Hasselbalch kabla ya kufanya hatua ya uondoaji wa nguvu.
  • Kutumia pKb badala ya pKa kwa kibafa cha amonia. Badilisha kwa pKa + pKb = 14.00 katika 25 °C.
  • Kuchanganya mole kwa mwenzi mmoja na mkusanyiko kwa mwingine wakati wako katika ujazo tofauti.
  • Kudhani kibafa bado kinafanya kazi baada ya asidi au besi iliyoongezwa kuzidi kiasi cha mwenzi mmoja.
  • Kuchukulia asidi dhaifu pekee, au asidi dhaifu pamoja na asidi kali, kama kibafa.

Mapungufu na matumizi yanayofaa

  • Henderson–Hasselbalch ni makadirio. Hukosa kutegemewa wakati kibafa ni chepesi sana, wakati uwiano uko mbali nje ya 10:1 hadi 1:10, au wakati Ka ni kubwa kiasi kwamba asidi huionishwa kwa kiasi kinachoonekana.
  • Konstanti zote na uhusiano pKa + pKb = 14.00 zinatumika katika 25 °C. pH ya kibafa husogea kulingana na joto.
  • Hesabu zinatumia mikusanyiko badala ya shughuli. Vibafa halisi vyenye nguvu kubwa ya ioni, ikiwemo vibafa vya kibiolojia, vinaweza kutofautiana kwa sehemu moja ya kumi ya kizio cha pH au zaidi.
  • Mikunjo kamili ya titrasheni na mifumo ya vibafa vya protoni nyingi haijashughulikiwa hapa.