Tamponlar: Zayıf Bir Asit ve Eşlenik Bazı pH'ı Nasıl Sabit Tutar

Her biri bir tehdidi nötrleştiren iki ortak

Asetik asit, CH₃COOH, ile CH₃COO⁻ sağlayan sodyum asetatın bir karışımını alın. Kuvvetli asit eklenirse asetat iyonu fazla protonları alır: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Kuvvetli baz eklenirse asetik asit onu nötrleştirir: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

İki tepkime de esasen tamamlanır; bu yüzden eklenen kuvvetli asit veya baz, zayıf ortaktan daha fazlasına dönüşür. Asidin baza oranı değiştiği için pH yine de değişir, ama yalnızca biraz. Yalnızca zayıf bir asit içeren bir çözelti bunu yapamaz, çünkü eklenen asidi tutacak neredeyse hiç eşlenik bazı yoktur.

Yaygın tampon çiftleri arasında asetik asit ile asetat, amonyum ile amonyak, dihidrojen fosfat ile hidrojen fosfat ve karbonik asit ile hidrojen karbonat bulunur. Son çift, OpenStax bölüm 14.6'nın tanımladığı gibi insan kanını pH 7.4 civarında tutmaya yardımcı olur.

Henderson–Hasselbalch denklemini Ka ifadesinden türetme

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] ile başlayın ve hidronyum için çözün: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) elde etmek için iki tarafın −log'unu alın. Bu, Henderson–Hasselbalch denklemidir.

Bir tamponda hem HA hem de A⁻ önemli miktarlarda bulunur ve her biri diğerinin suyla tepkimesini bastırır. Bu yüzden denge derişimleri karıştırdığınız miktarlara neredeyse eşittir. Hazırlanan derişimleri ICE tablosu olmadan doğrudan denkleme koyabilmenizin nedeni budur.

İki ortak da aynı hacimde bulunduğu için derişimlerin oranı mol sayılarının oranına eşittir. Mol sayılarını doğrudan kullanabilirsiniz; bu da asit veya baz eklendikten sonra bir adım kazandırır.

• [A⁻] = [HA] olduğunda log terimi sıfırdır ve pH = pKa.
• Bazın asite oranındaki her on katlık artış pH'ı bir birim yükseltir.
• Asitten daha fazla eşlenik baz pKa'nın üzerinde bir pH verir; daha fazla asit ise altında bir pH verir.

Çözümlü örnek: bir asetat tamponunun pH'ı

Bir tampon 0.300 M CH₃COOH ve 0.250 M CH₃COONa içerir. Ek H, Ka = 1.8 × 10⁻⁵ verir; dolayısıyla pKa = 4.745. O zaman pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Yuvarlanmamış pKa'yı sona kadar taşıyın. Onu önce 4.74'e yuvarlamak 4.66 verir. Fark, iki anlamlı rakamlı bir Ka'nın belirsizliği içindedir, ancak sonda bir kez yuvarlamak cevaplarınızı bir cevap anahtarıyla tutarlı tutar. Bazdan biraz daha fazla asit olduğu için pH, beklendiği gibi pKa'nın biraz altındadır.

Çözümlü örnek: önce kuvvetli asit, sonra kuvvetli baz ekleme

Yukarıdaki tampondan 1.00 L'ye 0.0200 mol HCl ekleyin. Önce nötrleşmeyi bir stokiyometri adımı olarak yapın: H₃O⁺, 0.0200 mol asetatı asetik aside dönüştürür. Asetik asit 0.300'den 0.320 mol'e çıkar, asetat 0.250'den 0.230 mol'e düşer. O zaman pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67'den 4.60'a, bir birimin onda birinden az düştü.

Aynı 0.0200 mol HCl'yi 1.00 L saf suya eklemek [H₃O⁺] = 0.0200 M ve pH 1.70 verirdi; bu, nötrden beş birimden fazla bir düşüştür.

Şimdi orijinal tampondan yeni bir 1.00 L'ye 0.0500 mol NaOH ekleyin. Hidroksit 0.0500 mol asetik asidi asetata dönüştürür; geriye 0.250 mol asit ve 0.300 mol baz kalır. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82; bu, 4.67'den 0.2'den az bir artıştır. Saf suda aynı NaOH pH 12.70 verirdi.

Aynı mantık, kısmi nötrleştirmeyle tampon hazırlamanıza da olanak tanır. 0.0400 mol asetik asidi 0.0150 mol NaOH ile karıştırmak 0.0250 mol asit ve 0.0150 mol asetat bırakır; dolayısıyla son hacim ne olursa olsun pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

Hedef bir pH için tampon tasarlama

Önce pKa'sı istediğiniz pH'ın bir birim yakınında olan bir eşlenik çift seçin. Sonra oranı bulmak için Henderson–Hasselbalch denklemini tersinden, oranı miktarlara dönüştürmek için de stokiyometriyi kullanın.

Çözümlü örnek. 500.0 mL 0.200 M amonyağa katı amonyum klorür ekleyerek pH 9.50'lik bir tampon hazırlayın. Asit ortağı NH₄⁺'tır. Ek I'dan Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵; dolayısıyla pKb = 4.745 ve pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Gereken oran [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 üzeri (9.50 − 9.255) = 1.76.

Balonda 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ vardır; bu yüzden 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ gerekir. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol ile bu yaklaşık 3.0 g amonyum klorürdür; Kb iki anlamlı rakama sahip olduğu için iki anlamlı rakamla verilir. Uygulamada ardından pH'ı kalibre edilmiş bir ölçerle kontrol eder ve ayarlarsınız.

Tampon kapasitesi ve yararlı pH aralığı

Tampon aralığı, bir tamponun iyi çalıştığı pH aralığıdır. 10:1 veya 1:10 oranı pH = pKa ± 1'e karşılık gelir ve bu aralığın dışında ortaklardan biri, çok daha fazla asit veya bazı tutamayacak kadar azdır. Asetat tamponları yaklaşık pH 3.7 ile 5.7 arasında, amonyak tamponları ise yaklaşık 8.3 ile 10.3 arasında yararlıdır.

Tampon kapasitesi, bir tamponun pH'ı büyük ölçüde değişmeden önce tutabileceği asit veya baz miktarıdır. Yalnızca ortakların oranına değil, her birinden ne kadar bulunduğuna bağlıdır. Her biri eşit miktarda asit ve baz içeren 1.00 L'lik iki asetat tamponunu karşılaştırın. İkisi de pH = pKa = 4.74'te başlar. Her birinden 0.100 M ile 0.00500 mol HCl eklemek pH'ı 0.04 düşürerek 4.70'e indirir. Her birinden 0.0100 M ile aynı ekleme pH'ı neredeyse yarım birim düşürerek 4.27'ye indirir. Oran aynıydı, ancak seyreltik tamponun kapasitesi onda biri kadardı.

Eklenen asit veya baz ortaklardan birinin tamamını tükettiğinde tampon tükenir. Bundan sonra pH, fazla kuvvetli asit veya baz tarafından belirlenir ve keskin biçimde değişir.

Bir tampon cevabını yanlış yapan hatalar

Tampon problemleri iki tür akıl yürütmeyi birleştirir: nötrleşme için stokiyometri ve pH için denge. Bunları bu sırayla tutun.

• Oranı ters yazmak. Oran baz bölü asittir: log([A⁻]/[HA]).
• Nötrleşme adımını yapmadan eklenen HCl veya NaOH'yi Henderson–Hasselbalch denklemine koymak.
• Bir amonyak tamponu için pKa yerine pKb kullanmak. 25 °C'de pKa + pKb = 14.00 ile dönüştürün.
• Farklı hacimlerde bulunduklarında bir ortak için mol sayısını, diğeri için derişimi kullanmak.
• Eklenen asit veya baz ortaklardan birinin miktarını aştıktan sonra tamponun hâlâ çalıştığını varsaymak.
• Tek başına zayıf bir asidi veya kuvvetli bir asitle birlikte zayıf bir asidi tampon saymak.