Buferlar: kuchsiz kislota va uning qo'shma asosi pH ni qanday barqaror ushlab turadi

Har biri bitta xavfni neytrallaydigan ikki hamkor

Sirka kislota CH₃COOH va CH₃COO⁻ beradigan natriy atsetat aralashmasini oling. Agar kuchli kislota qo'shilsa, atsetat ioni ortiqcha protonlarni biriktirib oladi: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Agar kuchli asos qo'shilsa, sirka kislota uni neytrallaydi: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Ikkala reaksiya ham amalda oxirigacha boradi, shuning uchun qo'shilgan kuchli kislota yoki asos kuchsiz hamkorning qo'shimcha miqdoriga aylanadi. pH baribir o'zgaradi, chunki kislota va asos nisbati o'zgaradi, lekin juda oz. Faqat kuchsiz kislota eritmasi buni qila olmaydi, chunki unda qo'shilgan kislotani yutish uchun qo'shma asos deyarli yo'q.

Keng tarqalgan bufer juftlariga sirka kislota va atsetat, ammoniy va ammiak, digidrofosfat va gidrofosfat hamda karbonat kislota va gidrokarbonat kiradi. OpenStax ning 14.6 bo'limida tasvirlanganidek, oxirgi juft inson qonini pH 7.4 atrofida ushlab turishga yordam beradi.

Henderson–Hasselbalx tenglamasini Ka ifodasidan keltirib chiqarish

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] dan boshlang va gidroksoniyni toping: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Ikkala tomonning −log ini olib, pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) ni hosil qiling. Bu Henderson–Hasselbalx tenglamasi.

Buferda HA ham, A⁻ ham salmoqli miqdorlarda mavjud va har biri ikkinchisining suv bilan reaksiyasini bostiradi. Shuning uchun ularning muvozanat konsentratsiyalari siz aralashtirgan miqdorlarga deyarli teng. Aynan shu sababli tayyorlangan konsentratsiyalarni ICE jadvalisiz to'g'ridan-to'g'ri tenglamaga qo'yishingiz mumkin.

Ikkala hamkor bir xil hajmda bo'lgani uchun konsentratsiyalar nisbati mollar nisbatiga teng. Mollardan bevosita foydalanishingiz mumkin, bu kislota yoki asos qo'shilgandan keyin bitta bosqichni tejaydi.

• [A⁻] = [HA] bo'lganda logarifm hadi nolga teng va pH = pKa.
• Asosning kislotaga nisbatini har o'n baravar oshirish pH ni bir birlikka oshiradi.
• Qo'shma asos kislotadan ko'p bo'lsa, pH pKa dan yuqori; kislota ko'p bo'lsa, pH undan past bo'ladi.

Yechilgan misol: atsetat buferining pH i

Buferda 0.300 M CH₃COOH va 0.250 M CH₃COONa bor. H ilovasi Ka = 1.8 × 10⁻⁵ ni beradi, shuning uchun pKa = 4.745. Unda pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Yaxlitlanmagan pKa ni oxirigacha saqlang. Uni avval 4.74 gacha yaxlitlash 4.66 ni beradi. Farq ikki muhim raqamli Ka ning noaniqligi doirasida, lekin oxirida bir marta yaxlitlash javoblaringizni javoblar kaliti bilan mos saqlaydi. pH kutilganidek pKa dan sal past, chunki kislota asosdan biroz ko'proq.

Yechilgan misol: kuchli kislota, so'ng kuchli asos qo'shish

Yuqoridagi buferning 1.00 L iga 0.0200 mol HCl qo'shing. Avval neytrallashni stexiometriya bosqichi sifatida bajaring: H₃O⁺ 0.0200 mol atsetatni sirka kislotaga aylantiradi. Sirka kislota 0.300 dan 0.320 mol ga ortadi, atsetat esa 0.250 dan 0.230 mol ga kamayadi. Unda pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67 dan 4.60 ga, ya'ni birlikning o'ndan biridan kamroqqa tushdi.

Xuddi shu 0.0200 mol HCl ni 1.00 L toza suvga qo'shish [H₃O⁺] = 0.0200 M va pH 1.70 ni beradi, bu neytraldan besh birlikdan ko'proq pasayish.

Endi dastlabki buferning yangi 1.00 L iga 0.0500 mol NaOH qo'shing. Gidroksid 0.0500 mol sirka kislotani atsetatga aylantirib, 0.250 mol kislota va 0.300 mol asos qoldiradi. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, bu 4.67 dan 0.2 dan kamroq ko'tarilish. Toza suvda xuddi shu NaOH pH 12.70 ni berardi.

Xuddi shu mantiq qisman neytrallash orqali bufer tayyorlash imkonini beradi. 0.0400 mol sirka kislotani 0.0150 mol NaOH bilan aralashtirish 0.0250 mol kislota va 0.0150 mol atsetat qoldiradi, shuning uchun oxirgi hajmdan qat'i nazar pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

Maqsadli pH uchun buferni loyihalash

Avval pKa si kerakli pH dan bir birlik ichida bo'lgan qo'shma juftni tanlang. So'ng nisbatni topish uchun Henderson–Hasselbalx tenglamasidan teskari tartibda, nisbatni miqdorlarga aylantirish uchun esa stexiometriyadan foydalaning.

Yechilgan misol. 500.0 mL 0.200 M ammiakdan qattiq ammoniy xlorid qo'shib pH 9.50 bufer tayyorlang. Kislota hamkor NH₄⁺. I ilovasidan Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, shuning uchun pKb = 4.745 va pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Kerakli nisbat [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 ning (9.50 − 9.255) darajasi = 1.76.

Kolbada 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ bor, shuning uchun unga 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ kerak. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol bo'lganda bu taxminan 3.0 g ammoniy xlorid, ikkita muhim raqam bilan yoziladi, chunki Kb da ikkitasi bor. Amalda so'ng pH ni kalibrlangan asbob bilan tekshirib, tuzatasiz.

Bufer sig'imi va foydali pH oralig'i

Bufer oralig'i — bufer yaxshi ishlaydigan pH oralig'i. 10:1 yoki 1:10 nisbat pH = pKa ± 1 ga mos keladi va bu oraliqdan tashqarida hamkorlardan biri ko'proq kislota yoki asosni yutish uchun juda oz bo'ladi. Atsetat buferlari taxminan pH 3.7 dan 5.7 gacha, ammiak buferlari esa taxminan 8.3 dan 10.3 gacha foydali.

Bufer sig'imi — buferning pH i keskin o'zgarguncha yuta oladigan kislota yoki asos miqdori. U faqat nisbatga emas, har bir hamkordan qancha borligiga bog'liq. Har biri 1.00 L bo'lgan, kislota va asosi teng ikkita atsetat buferini taqqoslang. Ikkalasi ham pH = pKa = 4.74 dan boshlanadi. Har biridan 0.100 M bo'lganda 0.00500 mol HCl qo'shish pH ni 0.04 ga, 4.70 gacha pasaytiradi. Har biridan 0.0100 M bo'lganda xuddi shu qo'shish uni deyarli yarim birlikka, 4.27 gacha pasaytiradi. Nisbat bir xil edi, lekin suyultirilgan buferning sig'imi o'n baravar kam edi.

Qo'shilgan kislota yoki asos hamkorlardan birini to'liq sarflaganda bufer tugaydi. Shundan keyin pH ortiqcha kuchli kislota yoki asos bilan belgilanadi va keskin o'zgaradi.

Bufer javobini noto'g'ri qiladigan xatolar

Bufer masalalari ikki xil mulohazani aralashtiradi: neytrallash uchun stexiometriya va pH uchun muvozanat. Ularni shu tartibda bajaring.

• Nisbatni teskari yozish. U asosning kislotaga nisbati: log([A⁻]/[HA]).
• Neytrallash bosqichini bajarishdan oldin qo'shilgan HCl yoki NaOH ni Henderson–Hasselbalx tenglamasiga qo'yish.
• Ammiak buferi uchun pKa o'rniga pKb dan foydalanish. 25 °C da pKa + pKb = 14.00 orqali o'tkazing.
• Hamkorlar turli hajmlarda bo'lganda biri uchun mollarni, ikkinchisi uchun konsentratsiyani aralashtirish.
• Qo'shilgan kislota yoki asos hamkorlardan birining miqdoridan oshib ketgandan keyin ham bufer ishlaydi deb faraz qilish.
• Faqat kuchsiz kislotani yoki kuchsiz kislota bilan kuchli kislotani bufer deb hisoblash.