Buffers

Buffers zijn oplossingen die werken aan het handhaven van een constante pH in een systeem ongeacht de toevoeging van sterke zuren of basen. Zonder buffers verandert de toevoeging van een sterk zuur of een base aan een oplossing de pH aanzienlijk. Buffers zijn cruciaal in het dagelijks leven. Bijvoorbeeld, bloed fungeert als een buffer en is in staat om een pH tussen 7,35 en 7,45 te handhaven omdat een pH boven 7,8 of onder 6,8 de dood kan veroorzaken.

Dus, hoe werkt een buffer? Een buffer is in wezen een zwakke zuur- of base en zijn geconjugeerde base of zuur in evenwicht met elkaar. Neem bijvoorbeeld een buffer gemaakt van azijnzuur en natriumacetaat. De bufferoplossing bevat een zwak zuur en zijn geconjugeerde zout, dat dissocieert om de geconjugeerde base acetaat te vormen. De oplossing is zuur omdat de K_a van azijnzuur hoger is dan de K_b van de geconjugeerde base.

Onthoud dat de dissociatieconstante, K_a of K_b, de sterkte van respectievelijk het zuur of de base definieert, omdat het de evenwichtsconstante is voor de dissociatie van de verbinding in water. De dissociatieconstante kan ook worden weergegeven als pK_a, of de negatieve logaritme van K_a, waarbij hoe kleiner de pK_a, hoe sterker het zuur. Hetzelfde geldt voor pK_b, waarbij hoe kleiner de pK_b, hoe sterker de base.

Terug naar de acetaatbuffer, als we een sterke base toevoegen, zoals natriumhydroxide, reageren de hydroxide-ionen met de hydroniumionen die in de oplossing aanwezig zijn. Dit veroorzaakt dat meer azijnzuur reageert met water om terug te keren naar evenwicht, waardoor meer hydroniumionen worden gevormd. Als we een sterk zuur toevoegen, zoals zoutzuur, worden er meer hydroniumionen in oplossing gevormd. Die ionen reageren met de acetaat-ionen om meer azijnzuur te vormen. In beide gevallen is er zeer weinig verandering in de pH van de oplossing.

Houd er rekening mee dat elke buffer een specifiek pH-bereik heeft waarin het een oplossing kan bufferen. Hier laten we een titratiecurve zien voor onze azijnzuurbuffer. Het bufferbereik is gemarkeerd. Dit gebied wordt bepaald door de Henderson-Hasselbalch-vergelijking, die ons vertelt dat de pH van de buffer wordt bepaald door de K_a van het zwakke zuur en de verhouding van de geconjugeerde base tot het zwakke zuur.

Ver weg van deze pH, is het zwakke zuur of base van de buffer uitgeput en kan het de pH niet bufferen. Dus, bij het selecteren van een buffer voor uw toepassing, kies er een waarvan de pK_a dicht bij de gewenste pH ligt.

Ten slotte hebben alle buffers een limiet aan hun buffercapaciteit, wat betekent de hoeveelheid zuur of base die aan de bufferoplossing kan worden toegevoegd voordat de pH significant verandert. Bijvoorbeeld, als we te veel zuur toevoegen aan onze azijnzuur en natriumacetaat bufferoplossing, zullen we alle acetaat-ionen protoneren en een grote hoeveelheid hydroniumionen accumuleren, waardoor de pH daalt.

Op dezelfde manier, als we te veel base toevoegen, zullen we al het azijnzuur deprotoneren en een grote hoeveelheid hydroxide-ionen accumuleren, waardoor de pH stijgt. Dus, de buffercapaciteit wordt beïnvloed door de concentratie van het zwakke zuur en het geconjugeerde zout. Dus, een 1 molare acetaatbuffer heeft een hogere buffercapaciteit dan een 0,1 molare acetaatbuffer.

In dit lab zul je buffers bereiden en onderzoeken met een breed scala aan pH-bereiken. Je zult dan je buffers gebruiken om de pK_a van een pH-indicator, genaamd neutraal rood, te bepalen en de verandering in neutraal rood's pK_a te verkennen wanneer riboflavine-bindend eiwit wordt geïntroduceerd.