16.2
תמיסה המכילה כמויות ניכרות של זוג חומצה-בסיס מצומד חלש נקראת תמיסת בופר, או בופר. תמיסות בופר מתנגדות לשינוי ב-pH כאשר מוסיפים כמויות קטנות של חומצה ח…
הוספה של כמות קטנה של חומצה או בסיס לתמיסה יכולה להוריד משמעותית את ה-pH או להעלות אותו. יחד עם זאת, תהליכים כימיים וביו-כימיים רבים זקוקים ל-pH יציב כדי לתפקד. בופרים יכולים למנוע שינוי דרסטי ב-pH של תמיסה כל עוד לא עוברים את קיבול הבופר שלהם.
בופרים מכילים חומצה חלשה ואת הבסיס המצומד לה או בסיס חלש ואת החומצה המצומדת לו. לדוגמה, דם אנושי שומר על ה-pH שלו קרוב ל-7.4 בעזרת בופר המורכב מחומצה פחמנית, חומצה חלשה, ויוני ביקרבונאט, הבסיס המצומד שלה. זוגות של חומצות-בסיס מצומדים יוצרים בופרים משום שהם לא מנטרלים את הבסיס או את החומצה המצומדים שלהם.
לדוגמה, חומצה אצטית ואצטט לא יכולים להגיב זה עם זה. לעומת זאת, אם חומצה אצטית, חומצה חלשה, ואמוניה, בסיס חלש, מומסים יחד, הם יגיבו וייצרו מלח, אמוניום אצטט. בבופר, חומצה חלשה מנטרלת כל בסיס שנוסף על ידי כך שהיא מגיבה עם יוני ההידרוקסיד שנוצרים, ואילו הבסיס המצומד מנטרל כל חומצה שנוספת על ידי כך שהוא מגיב עם יוני הידרוניום.
מנגנון דומה עובד במקרה של בסיס חלש והחומצה המצומדת שלו. שתי כוסות כימיות, X ו-Y מכילות נפח זהה של תמיסות שונות, כל אחת מהן עם pH של 7.2. התמיסה שבכלי X היא לא בופר.
בשונה ממנה, התמיסה בכלי Y מכילה בופר של חומצה אצטית-אצטט. אם מוסיפים חומצה הידרוכלורית לכוס הכימית X, ה-pH של התמיסה יורד באופן פתאומי בשל העלאת ריכוז יוני ההידרוניום. לעומת זאת, התמיסה בכוס הכימית Y שומרת על pH קבוע כשמוסיפים חומצה הידרוכלורית, כיוון שאחד ממרכיבי הבופר, אצטט, מגיב עם החומצה ההידרוכלורית ויוצר יון כלור וחומצה אצטית.
בדומה לכך, אם נוסיף לכוס הכימית X נתרן הידרוקסיד, ה-pH של התמיסה יעלה מיד בשל העלייה בריכוז יוני ההידרוקסיד. מצד שני, התמיסה בכוס הכימית Y מראה שינוי מינימלי ב-pH כשמוסיפים אליה נתרן הידרוקסיד כיוון שאחד מרכיבי הבופר, חומצה אצטית, מגיב עם הנתרן הידרוקסיד ויוצר נתרן אצטט ומולקולת מים. הבופר יכול למנוע שינוי דרסטי ב-pH של התמיסה כל עוד ריכוז הזוג של חומצה-בסיס המצומדים שבתמיסה, גבוה מריכוז החומצה או הבסיס שנוספו.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a buffer solution and why is it important?
A buffer solution contains a weak acid and its conjugate base, or a weak base and its conjugate acid. Buffers resist pH changes when small amounts of strong acid or base are added, which is critical for chemical and biochemical processes. For example, human blood maintains pH near 7.4 using a carbonic acid-bicarbonate buffer system.
Q2: How does a buffer prevent drastic pH changes?
When acid is added, the conjugate base component neutralizes hydronium ions. When base is added, the weak acid component neutralizes hydroxide ions. This conversion of strong acids and bases into weak conjugate pairs causes minimal pH change. The buffer works as long as the conjugate acid-base pair concentration exceeds the added strong acid or base.
Q3: Why don't conjugate acid-base pairs neutralize each other?
Conjugate acid-base pairs, such as acetic acid and acetate, do not react with each other because they are in equilibrium. However, when a weak acid like acetic acid is mixed with a weak base like ammonia, they will react to form a salt. This distinction is fundamental to buffer formation and stability.
Q4: What happens when you add strong acid to a buffered versus unbuffered solution?
In an unbuffered solution, adding strong acid causes a sharp pH drop due to increased hydronium ion concentration. In a buffered solution, the acetate component reacts with the added acid, producing acetic acid and chloride ions, resulting in minimal pH change. This demonstrates the protective effect of buffers.
Q5: What are common examples of buffer solutions?
Common buffers include acetic acid with sodium acetate, and ammonia with ammonium chloride. The acetic acid-acetate buffer consists of a weak acid and its salt, while the ammonia-ammonium chloride buffer consists of a weak base and its salt. Both effectively resist pH changes in their respective pH ranges.
Q6: What limits a buffer's ability to resist pH change?
A buffer can prevent drastic pH changes only when the concentration of the conjugate acid-base pair is higher than the concentration of added strong acid or base. Once this buffering capacity is exceeded, the buffer loses its protective effect and pH changes become significant.
Q7: How does adding strong base to a buffer solution work?
When strong base like sodium hydroxide is added to a buffer, the weak acid component reacts with it, producing sodium acetate and water. This reaction shifts the acid ionization equilibrium to the right, restoring hydronium ion concentration and maintaining relatively stable pH despite the base addition.