بفر: کمزور تیزاب اور اس کی مزدوج اساس pH کو کیسے مستحکم رکھتے ہیں

دو ساتھی جن میں سے ہر ایک ایک خطرے کو بے اثر کرتا ہے

ایسیٹک تیزاب، CH₃COOH، اور سوڈیم ایسیٹیٹ کا آمیزہ لیں، جو CH₃COO⁻ فراہم کرتا ہے۔ اگر قوی تیزاب شامل کیا جائے تو ایسیٹیٹ آئن اضافی پروٹان لے لیتا ہے: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O۔ اگر قوی اساس شامل کی جائے تو ایسیٹک تیزاب اسے تعدیل کر دیتا ہے: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O۔

دونوں تعاملات عملاً تکمیل تک جاتے ہیں، اس لیے شامل کیا گیا قوی تیزاب یا اساس کمزور ساتھی کی مزید مقدار میں بدل جاتا ہے۔ pH پھر بھی ہلتا ہے، کیونکہ تیزاب اور اساس کی نسبت بدلتی ہے، لیکن صرف تھوڑا۔ صرف کمزور تیزاب کا محلول یہ نہیں کر سکتا، کیونکہ اس میں شامل کیے گئے تیزاب کو جذب کرنے کے لیے تقریباً کوئی مزدوج اساس نہیں ہوتی۔

عام بفر جوڑوں میں ایسیٹک تیزاب کے ساتھ ایسیٹیٹ، امونیم کے ساتھ امونیا، ڈائی ہائیڈروجن فاسفیٹ کے ساتھ ہائیڈروجن فاسفیٹ، اور کاربونک تیزاب کے ساتھ ہائیڈروجن کاربونیٹ شامل ہیں۔ آخری جوڑا انسانی خون کو pH 7.4 کے قریب رکھنے میں مدد دیتا ہے، جیسا کہ OpenStax کا حصہ 14.6 بیان کرتا ہے۔

Ka کے اظہار سے ہینڈرسن–ہاسلبالخ اخذ کرنا

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] سے شروع کریں اور ہائیڈرونیم کے لیے حل کریں: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]۔ دونوں اطراف کا −log لیں تو pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) ملتا ہے۔ یہی ہینڈرسن–ہاسلبالخ مساوات ہے۔

بفر میں HA اور A⁻ دونوں خاصی مقدار میں موجود ہوتے ہیں، اور ہر ایک دوسرے کے پانی سے تعامل کو دبا دیتا ہے۔ اس لیے ان کے توازنی ارتکاز تقریباً ان مقداروں کے برابر ہوتے ہیں جو آپ نے ملائیں۔ اسی لیے آپ تیار کردہ ارتکاز ICE جدول کے بغیر براہ راست مساوات میں رکھ سکتے ہیں۔

چونکہ دونوں ساتھی ایک ہی حجم میں ہوتے ہیں، اس لیے ارتکازوں کی نسبت مولوں کی نسبت کے برابر ہوتی ہے۔ آپ براہ راست مول استعمال کر سکتے ہیں، جس سے تیزاب یا اساس شامل کرنے کے بعد ایک قدم بچ جاتا ہے۔

• جب [A⁻] = [HA] ہو تو لوگارتھم والا جزو صفر ہوتا ہے اور pH = pKa۔
• اساس اور تیزاب کی نسبت میں ہر دس گنا اضافہ pH کو ایک اکائی بڑھاتا ہے۔
• تیزاب سے زیادہ مزدوج اساس pKa سے اوپر pH دیتی ہے؛ زیادہ تیزاب اس سے نیچے pH دیتا ہے۔

حل شدہ مثال: ایسیٹیٹ بفر کا pH

ایک بفر میں 0.300 M CH₃COOH اور 0.250 M CH₃COONa ہیں۔ ضمیمہ H، Ka = 1.8 × 10⁻⁵ دیتا ہے، اس لیے pKa = 4.745۔ تب pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67۔

غیر راؤنڈ شدہ pKa آخر تک ساتھ رکھیں۔ اسے پہلے 4.74 تک راؤنڈ کرنے سے 4.66 ملتا ہے۔ یہ فرق دو اہم ہندسوں والے Ka کی غیر یقینی کے اندر ہے، لیکن آخر میں ایک بار راؤنڈ کرنا آپ کے جوابات کو جوابی کلید سے ہم آہنگ رکھتا ہے۔ pH توقع کے مطابق pKa سے ذرا نیچے ہے، کیونکہ اساس سے تیزاب تھوڑا زیادہ ہے۔

حل شدہ مثال: پہلے قوی تیزاب، پھر قوی اساس شامل کرنا

اوپر والے بفر کے 1.00 L میں 0.0200 mol HCl شامل کریں۔ پہلے تعدیل کو استوکیومیٹری کے قدم کے طور پر کریں: H₃O⁺، 0.0200 mol ایسیٹیٹ کو ایسیٹک تیزاب میں بدل دیتا ہے۔ ایسیٹک تیزاب 0.300 سے بڑھ کر 0.320 mol اور ایسیٹیٹ 0.250 سے گھٹ کر 0.230 mol ہو جاتا ہے۔ تب pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60۔ pH 4.67 سے گر کر 4.60 ہوا، جو اکائی کے دسویں حصے سے بھی کم ہے۔

یہی 0.0200 mol HCl خالص پانی کے 1.00 L میں شامل کرنے سے [H₃O⁺] = 0.0200 M اور pH 1.70 ملتا، جو غیر جانبدار سے پانچ اکائیوں سے زیادہ کی کمی ہے۔

اب اصل بفر کے تازہ 1.00 L میں 0.0500 mol NaOH شامل کریں۔ ہائیڈروآکسائیڈ 0.0500 mol ایسیٹک تیزاب کو ایسیٹیٹ میں بدل دیتا ہے، جس سے 0.250 mol تیزاب اور 0.300 mol اساس بچتی ہے۔ pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82، یعنی 4.67 سے 0.2 سے کم کا اضافہ۔ خالص پانی میں یہی NaOH pH 12.70 دیتا۔

یہی منطق جزوی تعدیل سے بفر بنانے دیتی ہے۔ 0.0400 mol ایسیٹک تیزاب کو 0.0150 mol NaOH کے ساتھ ملانے سے 0.0250 mol تیزاب اور 0.0150 mol ایسیٹیٹ بچتے ہیں، اس لیے pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52، آخری حجم چاہے کچھ بھی ہو۔

ہدفی pH کے لیے بفر ڈیزائن کرنا

پہلے ایسا مزدوج جوڑا چنیں جس کا pKa مطلوبہ pH سے ایک اکائی کے اندر ہو۔ پھر نسبت معلوم کرنے کے لیے ہینڈرسن–ہاسلبالخ کو الٹی سمت استعمال کریں، اور نسبت کو مقداروں میں بدلنے کے لیے استوکیومیٹری۔

حل شدہ مثال۔ 0.200 M امونیا کے 500.0 mL میں ٹھوس امونیم کلورائیڈ شامل کر کے pH 9.50 کا بفر تیار کریں۔ تیزابی ساتھی NH₄⁺ ہے۔ ضمیمہ I سے Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵، اس لیے pKb = 4.745 اور pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255۔ مطلوبہ نسبت [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 کی طاقت (9.50 − 9.255) = 1.76 ہے۔

فلاسک میں 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ ہے، اس لیے اسے 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ درکار ہے۔ M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol کے ساتھ یہ تقریباً 3.0 g امونیم کلورائیڈ ہے، جو دو اہم ہندسوں تک بتایا گیا ہے کیونکہ Kb میں دو ہیں۔ عملی طور پر آپ پھر کیلیبریٹ شدہ میٹر سے pH جانچیں گے اور اسے درست کریں گے۔

بفر کی گنجائش اور مفید pH حد

بفر کی حد وہ pH وسعت ہے جس میں بفر اچھی طرح کام کرتا ہے۔ 10:1 یا 1:10 کی نسبت pH = pKa ± 1 کے مطابق ہے، اور اس وسعت سے باہر ایک ساتھی اتنا کم ہوتا ہے کہ مزید تیزاب یا اساس زیادہ جذب نہیں کر سکتا۔ ایسیٹیٹ بفر تقریباً pH 3.7 سے 5.7 تک، اور امونیا بفر تقریباً 8.3 سے 10.3 تک مفید ہیں۔

بفر کی گنجائش تیزاب یا اساس کی وہ مقدار ہے جو بفر اپنا pH بہت زیادہ بدلے بغیر جذب کر سکتا ہے۔ یہ اس پر منحصر ہے کہ ہر ساتھی کتنی مقدار میں موجود ہے، صرف ان کی نسبت پر نہیں۔ دو ایسیٹیٹ بفروں کا موازنہ کریں، ہر ایک 1.00 L اور برابر تیزاب اور اساس کے ساتھ۔ دونوں pH = pKa = 4.74 سے شروع ہوتے ہیں۔ ہر ایک کے 0.100 M کے ساتھ 0.00500 mol HCl شامل کرنے سے pH 0.04 کم ہو کر 4.70 ہو جاتا ہے۔ ہر ایک کے 0.0100 M کے ساتھ یہی اضافہ اسے تقریباً آدھی اکائی کم کر کے 4.27 کر دیتا ہے۔ نسبت ایک ہی تھی، لیکن ہلکے بفر کی گنجائش دسواں حصہ تھی۔

بفر تب ختم ہو جاتا ہے جب شامل کیا گیا تیزاب یا اساس کسی ایک ساتھی کو پورا استعمال کر لے۔ اس کے بعد pH زائد قوی تیزاب یا اساس سے طے ہوتا ہے، اور تیزی سے بدلتا ہے۔

وہ غلطیاں جو بفر کا جواب غلط کر دیتی ہیں

بفر کے مسائل دو قسم کے استدلال ملاتے ہیں: تعدیل کے لیے استوکیومیٹری اور pH کے لیے توازن۔ انہیں اسی ترتیب میں رکھیں۔

• نسبت الٹی لکھنا۔ یہ اساس تقسیم تیزاب ہے: log([A⁻]/[HA])۔
• تعدیل کا قدم کرنے سے پہلے شامل کیا گیا HCl یا NaOH ہینڈرسن–ہاسلبالخ مساوات میں ڈال دینا۔
• امونیا بفر کے لیے pKa کی جگہ pKb استعمال کرنا۔ 25 °C پر pKa + pKb = 14.00 سے تبدیل کریں۔
• جب دونوں ساتھی مختلف حجموں میں ہوں تو ایک کے لیے مول اور دوسرے کے لیے ارتکاز ملا دینا۔
• یہ فرض کرنا کہ شامل کیا گیا تیزاب یا اساس کسی ایک ساتھی کی مقدار سے بڑھ جانے کے بعد بھی بفر کام کرتا ہے۔
• صرف کمزور تیزاب، یا کمزور تیزاب کے ساتھ قوی تیزاب، کو بفر سمجھنا۔