బఫర్‌లు: బలహీన ఆమ్లం, దాని సంయుగ్మ క్షారం pH ను ఎలా స్థిరంగా ఉంచుతాయి

ఒక్కొక్కటి ఒక ముప్పును తటస్థీకరించే రెండు భాగస్వాములు

ఎసిటిక్ ఆమ్లం, CH₃COOH, CH₃COO⁻ ను అందించే సోడియం ఎసిటేట్ మిశ్రమాన్ని తీసుకోండి. బలమైన ఆమ్లాన్ని కలిపితే, ఎసిటేట్ అయాన్ అదనపు ప్రోటాన్‌లను స్వీకరిస్తుంది: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. బలమైన క్షారాన్ని కలిపితే, ఎసిటిక్ ఆమ్లం దాన్ని తటస్థీకరిస్తుంది: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

రెండు చర్యలూ దాదాపు పూర్తవుతాయి, కాబట్టి కలిపిన బలమైన ఆమ్లం లేదా క్షారం బలహీన భాగస్వామిగా మరింతగా మారుతుంది. ఆమ్లం, క్షారాల నిష్పత్తి మారుతుంది కాబట్టి pH ఇంకా కదులుతుంది, కానీ కొంచెం మాత్రమే. బలహీన ఆమ్లం ఒక్కదాని ద్రావణం దీన్ని చేయలేదు, ఎందుకంటే కలిపిన ఆమ్లాన్ని గ్రహించడానికి దానికి దాదాపు సంయుగ్మ క్షారం ఉండదు.

సాధారణ బఫర్ జతలలో ఎసిటిక్ ఆమ్లం–ఎసిటేట్, అమ్మోనియం–అమోనియా, డైహైడ్రోజన్ ఫాస్ఫేట్–హైడ్రోజన్ ఫాస్ఫేట్, కార్బోనిక్ ఆమ్లం–హైడ్రోజన్ కార్బొనేట్ ఉన్నాయి. OpenStax విభాగం 14.6 వివరించినట్లు, చివరి జత మానవ రక్తాన్ని pH 7.4 దగ్గర ఉంచడానికి సహాయపడుతుంది.

Ka వ్యక్తీకరణ నుండి హెండర్సన్–హాసెల్‌బాల్క్‌ను రాబట్టడం

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] నుండి ప్రారంభించి హైడ్రోనియం కోసం సాధించండి: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. రెండు వైపులా −log తీసుకుంటే pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) వస్తుంది. ఇదే హెండర్సన్–హాసెల్‌బాల్క్ సమీకరణం.

బఫర్‌లో, HA, A⁻ రెండూ గణనీయమైన మొత్తాలలో ఉంటాయి, ప్రతిదీ మరొకదాని నీటితో చర్యను అణచివేస్తుంది. కాబట్టి వాటి సమతాస్థితి గాఢతలు మీరు కలిపిన మొత్తాలకు దాదాపు సమానం. అందుకే ICE పట్టిక లేకుండానే తయారుచేసిన గాఢతలను నేరుగా సమీకరణంలో పెట్టవచ్చు.

రెండు భాగస్వాములూ ఒకే ఘనపరిమాణంలో ఉంటాయి కాబట్టి, గాఢతల నిష్పత్తి మోల్‌ల నిష్పత్తికి సమానం. మీరు నేరుగా మోల్‌లను ఉపయోగించవచ్చు, ఇది ఆమ్లం లేదా క్షారం కలిపిన తర్వాత ఒక దశను ఆదా చేస్తుంది.

• [A⁻] = [HA] అయినప్పుడు, log పదం సున్నా, pH = pKa.
• క్షారం-ఆమ్ల నిష్పత్తిలో ప్రతి పది రెట్ల పెరుగుదల pH ను ఒక యూనిట్ పెంచుతుంది.
• ఆమ్లం కంటే ఎక్కువ సంయుగ్మ క్షారం pKa కంటే ఎక్కువ pH ను ఇస్తుంది; ఎక్కువ ఆమ్లం దాని కంటే తక్కువ pH ను ఇస్తుంది.

సాధన ఉదాహరణ: ఎసిటేట్ బఫర్ pH

ఒక బఫర్‌లో 0.300 M CH₃COOH, 0.250 M CH₃COONa ఉన్నాయి. అనుబంధం H Ka = 1.8 × 10⁻⁵ ఇస్తుంది, కాబట్టి pKa = 4.745. అప్పుడు pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

పూర్తి చేయని pKa ను చివరి వరకు ఉంచండి. దాన్ని ముందే 4.74 కు పూర్తి చేస్తే 4.66 వస్తుంది. ఈ తేడా రెండు సార్థక అంకెల Ka అనిశ్చితి లోపలే ఉంది, కానీ చివరలో ఒకసారి పూర్తి చేస్తే మీ సమాధానాలు జవాబు కీతో స్థిరంగా ఉంటాయి. ఆమ్లం క్షారం కంటే కొంచెం ఎక్కువగా ఉన్నందున, ఊహించినట్లే pH pKa కంటే కొద్దిగా తక్కువ.

సాధన ఉదాహరణ: బలమైన ఆమ్లం, తర్వాత బలమైన క్షారం కలపడం

పై బఫర్ 1.00 L కు 0.0200 mol HCl కలపండి. ముందు తటస్థీకరణను స్టాయికియోమెట్రీ దశగా చేయండి: H₃O⁺ 0.0200 mol ఎసిటేట్‌ను ఎసిటిక్ ఆమ్లంగా మారుస్తుంది. ఎసిటిక్ ఆమ్లం 0.300 నుండి 0.320 mol కు పెరుగుతుంది, ఎసిటేట్ 0.250 నుండి 0.230 mol కు తగ్గుతుంది. అప్పుడు pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67 నుండి 4.60 కు తగ్గింది, యూనిట్‌లో పదో వంతు కంటే తక్కువ.

అదే 0.0200 mol HCl ను 1.00 L స్వచ్ఛమైన నీటికి కలిపితే [H₃O⁺] = 0.0200 M, pH 1.70 వస్తుంది, తటస్థం నుండి ఐదు యూనిట్ల కంటే ఎక్కువ తగ్గుదల.

ఇప్పుడు అసలు బఫర్ కొత్త 1.00 L కు 0.0500 mol NaOH కలపండి. హైడ్రాక్సైడ్ 0.0500 mol ఎసిటిక్ ఆమ్లాన్ని ఎసిటేట్‌గా మారుస్తుంది, 0.250 mol ఆమ్లం, 0.300 mol క్షారం మిగులుతాయి. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, 4.67 నుండి 0.2 కంటే తక్కువ పెరుగుదల. స్వచ్ఛమైన నీటిలో అదే NaOH pH 12.70 ను ఇస్తుంది.

అదే తర్కంతో పాక్షిక తటస్థీకరణ ద్వారా బఫర్‌ను తయారు చేయవచ్చు. 0.0400 mol ఎసిటిక్ ఆమ్లాన్ని 0.0150 mol NaOH తో కలిపితే 0.0250 mol ఆమ్లం, 0.0150 mol ఎసిటేట్ మిగులుతాయి, కాబట్టి తుది ఘనపరిమాణం ఏదైనా, pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

లక్ష్య pH కోసం బఫర్‌ను రూపొందించడం

ముందు, మీకు కావలసిన pH కి ఒక యూనిట్ లోపల pKa గల సంయుగ్మ జతను ఎంచుకోండి. తర్వాత నిష్పత్తిని కనుగొనడానికి హెండర్సన్–హాసెల్‌బాల్క్‌ను వెనక్కి, నిష్పత్తిని పరిమాణాలుగా మార్చడానికి స్టాయికియోమెట్రీని ఉపయోగించండి.

సాధన ఉదాహరణ. 0.200 M అమోనియా 500.0 mL కు ఘన అమ్మోనియం క్లోరైడ్‌ను కలిపి pH 9.50 బఫర్‌ను తయారు చేయండి. ఆమ్ల భాగస్వామి NH₄⁺. అనుబంధం I నుండి, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, కాబట్టి pKb = 4.745, pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. అవసరమైన నిష్పత్తి [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 ఘాతం (9.50 − 9.255) = 1.76.

ఫ్లాస్క్‌లో 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ ఉంది, కాబట్టి దానికి 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ అవసరం. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol తో, అది సుమారు 3.0 g అమ్మోనియం క్లోరైడ్, Kb కి రెండు సార్థక అంకెలు ఉన్నందున రెండు సార్థక అంకెలకు నివేదించబడింది. ఆచరణలో మీరు తర్వాత అంశాంకనం చేసిన మీటర్‌తో pH ను సరిచూసి సర్దుబాటు చేస్తారు.

బఫర్ సామర్థ్యం, ఉపయోగకరమైన pH పరిధి

బఫర్ పరిధి అంటే బఫర్ బాగా పనిచేసే pH వ్యాప్తి. 10:1 లేదా 1:10 నిష్పత్తి pH = pKa ± 1 కి అనుగుణంగా ఉంటుంది, ఆ వ్యాప్తి వెలుపల ఒక భాగస్వామి మరింత ఆమ్లం లేదా క్షారాన్ని గ్రహించలేనంత తక్కువగా ఉంటుంది. ఎసిటేట్ బఫర్‌లు సుమారు pH 3.7 నుండి 5.7 వరకు, అమోనియా బఫర్‌లు సుమారు 8.3 నుండి 10.3 వరకు ఉపయోగకరం.

బఫర్ సామర్థ్యం అంటే బఫర్ pH బాగా మారడానికి ముందు అది గ్రహించగల ఆమ్లం లేదా క్షారం పరిమాణం. అది వాటి నిష్పత్తిపై మాత్రమే కాక, ప్రతి భాగస్వామి ఎంత ఉందో దానిపై ఆధారపడుతుంది. సమాన ఆమ్లం, క్షారంతో ఒక్కొక్కటి 1.00 L గల రెండు ఎసిటేట్ బఫర్‌లను పోల్చండి. రెండూ pH = pKa = 4.74 వద్ద ప్రారంభమవుతాయి. ఒక్కొక్కటి 0.100 M తో, 0.00500 mol HCl కలిపితే pH 0.04 తగ్గి 4.70 అవుతుంది. ఒక్కొక్కటి 0.0100 M తో, అదే కలపడం దాన్ని దాదాపు సగం యూనిట్ తగ్గించి 4.27 చేస్తుంది. నిష్పత్తి ఒకటే, కానీ విలీన బఫర్‌కు పదో వంతు సామర్థ్యమే ఉంది.

కలిపిన ఆమ్లం లేదా క్షారం ఒక భాగస్వామిని మొత్తం వినియోగించినప్పుడు బఫర్ క్షీణిస్తుంది. ఆ తర్వాత, pH ను అదనపు బలమైన ఆమ్లం లేదా క్షారం నిర్ణయిస్తుంది, అది తీవ్రంగా మారుతుంది.

బఫర్ సమాధానాన్ని తప్పుగా చేసే తప్పులు

బఫర్ సమస్యలు రెండు రకాల తర్కాన్ని కలుపుతాయి: తటస్థీకరణకు స్టాయికియోమెట్రీ, pH కు సమతాస్థితి. వాటిని ఆ క్రమంలోనే ఉంచండి.

• నిష్పత్తిని తలకిందులుగా రాయడం. అది క్షారం బై ఆమ్లం: log([A⁻]/[HA]).
• తటస్థీకరణ దశ చేయకముందే కలిపిన HCl లేదా NaOH ను హెండర్సన్–హాసెల్‌బాల్క్ సమీకరణంలో పెట్టడం.
• అమోనియా బఫర్‌కు pKa బదులు pKb ను ఉపయోగించడం. 25 °C వద్ద pKa + pKb = 14.00 తో మార్చండి.
• భాగస్వాములు వేర్వేరు ఘనపరిమాణాలలో ఉన్నప్పుడు ఒకదానికి మోల్‌లను, మరొకదానికి గాఢతను కలపడం.
• కలిపిన ఆమ్లం లేదా క్షారం ఒక భాగస్వామి పరిమాణాన్ని మించిన తర్వాత కూడా బఫర్ పనిచేస్తుందని భావించడం.
• బలహీన ఆమ్లం ఒక్కదాన్ని, లేదా బలమైన ఆమ్లంతో బలహీన ఆమ్లాన్ని, బఫర్‌గా పరిగణించడం.