Mga Buffer: Paonan-o an Huyang nga Asido ngan an Conjugate Base Hini Nagtitipig nga Lig-on an pH

Duha nga kaupod nga an kada usa nag-neutralize hin usa nga hulga

Kuhaa an sagol han acetic acid, CH₃COOH, ngan sodium acetate, nga naghahatag hin CH₃COO⁻. Kun gindugangan hin makusog nga asido, an acetate ion an nagkukuha han sobra nga mga proton: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Kun gindugangan hin makusog nga base, an acetic acid an nag-neutralize hini: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

An duha nga reaksyon hapit natatapos hin bug-os, salit an gindugang nga makusog nga asido o base nababalhin ngadto ha dugang nga huyang nga kaupod. Nalihok gihapon an pH, tungod kay nagbabag-o an ratio han asido ngadto ha base, kundi gutiay la. An solusyon han huyang nga asido la diri makakabuhat hini, tungod kay hapit waray conjugate base hini basi suyopon an gindugang nga asido.

An kasagaran nga mga parisan han buffer naglalakip han acetic acid upod an acetate, ammonium upod an ammonia, dihydrogen phosphate upod an hydrogen phosphate, ngan carbonic acid upod an hydrogen carbonate. An katapusan nga parisan nabulig ha pagtipig han dugo han tawo harani ha pH 7.4, sugad han ginhuhulagway han OpenStax section 14.6.

Pagkuha han Henderson–Hasselbalch tikang ha ekspresyon han Ka

Magsugod tikang ha Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] ngan solbara an hydronium: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Kuhaa an −log han duha nga kilid basi makuha an pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Amo ini an Henderson–Hasselbalch nga ekwasyon.

Ha buffer, an HA ngan A⁻ parehas aada ha dagko nga kadamo, ngan an kada usa nagpupugong han reaksyon han usa ha tubig. Salit an ira mga konsentrasyon ha equilibrium hapit katumbas han mga kadamo nga imo ginsagol. Amo nga puyde mo direkta ibutang an gin-andam nga mga konsentrasyon ha ekwasyon nga waray ICE table.

Tungod kay an duha nga kaupod aada ha pariho nga volume, an ratio han mga konsentrasyon katumbas han ratio han mga mole. Puyde mo direkta gamiton an mga mole, nga nagtitipig hin usa nga lakang kahuman magdugang hin asido o base.

• Kun [A⁻] = [HA], sero an log nga termino ngan pH = pKa.
• An kada napulo ka beses nga pagtaas ha ratio han base ngadto ha asido nagpapataas han pH hin usa nga yunit.
• An mas damo nga conjugate base kay ha asido naghahatag hin pH nga labaw han pKa; an mas damo nga asido naghahatag hin pH nga ubos hini.

Halimbawa nga gin-solbar: an pH han acetate nga buffer

An buffer may sulod nga 0.300 M nga CH₃COOH ngan 0.250 M nga CH₃COONa. An Appendix H naghahatag hin Ka = 1.8 × 10⁻⁵, salit pKa = 4.745. Kun sugad pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Darha an diri gin-round nga pKa tubtob ha katapusan. An pag-round anay hini ngadto ha 4.74 naghahatag hin 4.66. An kalainan aada ha sulod han pagkadire-sigurado han Ka nga may duha nga mahinungdanon nga digit, kundi an usa nga pag-round ha katapusan nagtitipig han imo mga sagot nga nauyon ha answer key. An pH gutiay nga ubos han pKa, sugad han gindadahom, tungod kay gutiay nga mas damo an asido kay ha base.

Halimbawa nga gin-solbar: pagdugang hin makusog nga asido, unya makusog nga base

Dugangi hin 0.0200 mol nga HCl an 1.00 L han buffer ha ibabaw. Buhata anay an neutralization, sugad nga lakang han stoichiometry: an H₃O⁺ nagbabalhin han 0.0200 mol nga acetate ngadto ha acetic acid. An acetic acid natataas tikang 0.300 ngadto 0.320 mol ngan an acetate naubos tikang 0.250 ngadto 0.230 mol. Kun sugad pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. An pH naubos tikang 4.67 ngadto 4.60, ubos ha ikanapulo nga bahin han yunit.

An pagdugang han pariho nga 0.0200 mol nga HCl ha 1.00 L nga putli nga tubig maghahatag hin [H₃O⁺] = 0.0200 M ngan pH nga 1.70, pag-ubos nga labaw ha lima nga yunit tikang ha neutral.

Karon dugangi hin 0.0500 mol nga NaOH an bag-o nga 1.00 L han orihinal nga buffer. An hydroxide nagbabalhin han 0.0500 mol nga acetic acid ngadto ha acetate, nga nagbibilin hin 0.250 mol nga asido ngan 0.300 mol nga base. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, pagtaas tikang ha 4.67 nga ubos han 0.2. Ha putli nga tubig an pariho nga NaOH maghahatag hin pH 12.70.

An pariho nga lohika nagtutugot ha imo maghimo hin buffer pinaagi han partial nga neutralization. An pagsagol hin 0.0400 mol nga acetic acid upod an 0.0150 mol nga NaOH nagbibilin hin 0.0250 mol nga asido ngan 0.0150 mol nga acetate, salit pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, bisan ano an katapusan nga volume.

Paghimo hin buffer para ha tinutumbok nga pH

Syahan pili hin conjugate nga parisan nga an pKa aada ha sulod han usa nga yunit han pH nga imo karuyag. Unya gamita an Henderson–Hasselbalch pabalik basi makita an ratio, ngan an stoichiometry basi himuon an ratio nga mga kadamo.

Halimbawa nga gin-solbar. Mag-andam hin pH 9.50 nga buffer tikang ha 500.0 mL han 0.200 M nga ammonia pinaagi ha pagdugang hin solido nga ammonium chloride. An kaupod nga asido amo an NH₄⁺. Tikang ha Appendix I, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, salit pKb = 4.745 ngan pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. An kinahanglan nga ratio amo an [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 nga ginpataas ha (9.50 − 9.255) = 1.76.

An flask may sulod nga 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol nga NH₃, salit nagkikinahanglan ini hin 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol nga NH₄⁺. Kun M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, mga 3.0 g ini han ammonium chloride, gin-report ha duha nga mahinungdanon nga digit tungod kay an Kb may duha. Ha praktika susihon mo unya an pH gamit an gin-calibrate nga metro ngan i-adjust.

Buffer capacity ngan an mapuslanon nga range han pH

An buffer range amo an kalapad han pH kun diin maupay nga nagagana an buffer. An ratio nga 10:1 o 1:10 katumbas han pH = pKa ± 1, ngan ha gawas hito nga kalapad an usa nga kaupod sobra na kakulang basi makasuyop pa hin damo nga asido o base. An acetate nga mga buffer mapuslanon tikang ha mga pH 3.7 tubtob 5.7, ngan an ammonia nga mga buffer tikang ha mga 8.3 tubtob 10.3.

An buffer capacity amo an kadamo han asido o base nga masusuyop han buffer antes dako nga magbag-o an pH hini. Nagdepende ini kun pira an aada han kada kaupod, diri la ha ira ratio. Ikumpara an duha nga acetate nga buffer, an kada usa 1.00 L nga may pariho nga asido ngan base. An duha nagsisugod ha pH = pKa = 4.74. Kun 0.100 M han kada usa, an pagdugang hin 0.00500 mol nga HCl nagpapaubos han pH hin 0.04, ngadto ha 4.70. Kun 0.0100 M han kada usa, an pariho nga pagdugang nagpapaubos hini hin hapit katunga nga yunit, ngadto ha 4.27. Pariho an ratio, kundi an gin-palabnaw nga buffer may ikanapulo nga bahin la han capacity.

An buffer nauupos kun an gindugang nga asido o base nag-uusik han ngatanan han usa nga kaupod. Kahuman hito, an pH gintatakda han sobra nga makusog nga asido o base, ngan matarom ini nga nagbabag-o.

Mga sayop nga naghihimo nga sayop an sagot ha buffer

An mga problema han buffer nagsasagol hin duha nga klase han pangatadungan: stoichiometry para ha neutralization ngan equilibrium para ha pH. Tipiga hira hito nga han-ay.

• Pagsulat han ratio nga baliskad. Base ha ibabaw han asido ini: log([A⁻]/[HA]).
• Pagbutang han gindugang nga HCl o NaOH ha Henderson–Hasselbalch nga ekwasyon antes buhaton an lakang han neutralization.
• Paggamit han pKb imbes nga pKa para ha ammonia nga buffer. I-convert gamit an pKa + pKb = 14.00 ha 25 °C.
• Pagsagol han mga mole para ha usa nga kaupod ngan konsentrasyon para ha lain kun aada hira ha lain-lain nga volume.
• Pagdahom nga nagagana pa an buffer kahuman an gindugang nga asido o base labaw na ha kadamo han usa nga kaupod.
• Pagtrato han huyang nga asido la, o huyang nga asido upod an makusog nga asido, sugad nga buffer.