Buffers

Po dodaniu kwasu Arrheniusa (HA) do wody dysocjuje on na sprzężoną zasadę (A^-) i kation wodoru (H⁺).

HA + H₂O → H⁺_(aq) + A^-_(aq)

Ilość jonów wodorowych obecnych w roztworze określa kwasowość roztworu, gdzie więcej jonów wodorowych wskazuje na niższe lub bardziej kwaśne pH. Podobnie, gdy do wody dodaje się silną zasadę Arrheniusa (BOH), dysocjuje ona na sprzężony kwas (B⁺) i jon wodorotlenkowy (OH^-).

BOH + H₂O → B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

Ogólnie rzecz biorąc, dodanie mocnych kwasów lub zasad do roztworu dramatycznie zmienia pH, ponieważ kwas lub zasada reaguje z cząsteczkami wody w roztworze, zwiększając stężenie jonów wodorowych lub jonów wodorotlenkowych. Jednak tę zmianę pH można złagodzić za pomocą buforu. to roztwory, które działają w celu utrzymania stałego pH w układzie, niezależnie od dodania mocnych kwasów lub zasad.

Najczęściej składnikami buforu są sprzężona para kwasowo-zasadowa słabego kwasu lub słabej zasady. Z tego powodu mocne kwasy lub zasady, które całkowicie dysocjują w wodzie, tworzą bardzo słabe, a słabe kwasy lub zasady, które częściowo dysocjują, tworzą lepsze. Gdy bufor jest obecny, mocny kwas lub zasada nie reaguje z cząsteczkami wody obecnymi w roztworze, a zamiast tego reaguje ze słabym kwasem / sprzężoną zasadą. Powoduje to niewielką lub żadną zmianę pH roztworu.

Wspólny efekt jonowy

Bufor działa poprzez zjawisko zwane wspólnym efektem jonowym. Wspólny efekt jonowy występuje, gdy dany jon jest dodawany do mieszaniny w stanie równowagi, która już zawiera dany jon. Kiedy tak się dzieje, równowaga przesuwa się od tworzenia większej ilości tego jonu.

Na przykład kwas octowy (_CH3COOH) nieznacznie dysocjuje w wodzie, tworząc jon octanowy (_CH3COO-) i jon wodorowy.

CH₃COOH(_aq) H₂O ⇔ H⁺_(aq) + CH₃COO^-_(aq)

Jeśli z rozpuszczalnego octanu sodu doda się więcej jonu octanu, pozycja równowagi przesuwa się w lewo, tworząc więcej niezdysocjowanego kwasu octowego, a stężenie jonów wodorowych maleje. W tym przypadku powszechny jon - octan - hamuje dysocjację kwasu octowego.

Bufor musi zawierać wysokie stężenia zarówno kwaśnych (HA), jak i zasadowych (A^-) składników buforujących roztwór. Jeśli ilość jonów wodoru lub wodorotlenku dodanych do buforu jest mała, powodują one przekształcenie niewielkiej ilości jednego składnika buforowego w drugi. Dopóki stężenie dodanych jonów jest znacznie mniejsze niż stężenia HA i A^- już obecnych w buforze, dodane jony będą miały niewielki wpływ na pH, ponieważ są zużywane przez jeden ze składników buforu. Gdy stężenie wodoru lub wodorotlenku przekracza stężenie kwasu i jego sprzężonej zasady, efekt buforowania zostaje utracony, a pH ulegnie zmianie.

Równanie Hendersona-Hasselbalcha

Stałą dysocjacji,_Ka, słabego kwasu oblicza się na podstawie stężeń niezdysocjowanego kwasu HA oraz stężeń jonów wodorowych i sprzężonej zasady A^-.

Wyższe wartości K_a reprezentują mocniejsze kwasy, podczas gdy mniejsze wartości K_a reprezentują słabsze kwasy. Aby określić stężenie jonów wodorowych, równanie jest przestawiane. W tej formie jasne jest, że stosunek gatunków kwasowych do zasadowych jest ważny przy określaniu stężenia jonów wodorowych, a co za tym idzie, pH.

Przyjęcie ujemnego logarytmu wspólnego obu stron daje równanie Hendersona-Hasselbalcha.

Równanie Hendersona-Hasselbalcha umożliwia bezpośrednie obliczenie pH buforu, bez konieczności uprzedniego obliczania stężenia jonów wodorowych.

Na przykład można go użyć do określenia pH buforu o pojemności 1 litra po dodaniu 0,02 mola mocnej zasady. Mocna zasada dysocjuje całkowicie, więc stężenie dodanych jonów hydroksylowych wynosi 0,02 M. Spowoduje to zmniejszenie stężenia kwasu o 0,02. Zakładając, że pierwotne stężenie składników kwasowych (HA) i zasadowych (A^-) wynosi po 0,5 M, nowe stężenie zasady wzrasta o 0,02 M do 0,52 M, podczas gdy stężenie kwasu spada o 0,02 M do 0,48 M. Znając_{pK a} składnika kwasowego buforu, możemy podstawić te nowe stężenia składników do równania Hendersona-Hasselbalcha w celu określenia pH.

Jest to przydatne do określania pojemności buforowej lub ilości mocnego kwasu lub mocnej zasady, którą można dodać do buforu bez znaczącego wpływu na pH.

Pojemność buforowa

Pojemność buforowa jest miarą zdolności buforu do opierania się zmianom pH. Zdolność ta zależy od stężenia składników buforowych, czyli kwasu i jego sprzężonej zasady. Wyższe stężenie buforu ma większą pojemność buforową. Oznacza to, że musiałaby zostać dodana większa ilość jonów wodorowych lub mocniejszy kwas, aby zakłócić równowagę i zmienić pH buforu.

Na pojemność bufora mają również wpływ względne stężenia składników bufora. Bufor jest bardziej skuteczny, gdy stężenia składników są podobne. Jeśli stosunek składników buforowych jest podobny, to stosunek stężenia składników nie zmienia się znacząco po dodaniu kwasu lub zasady; Należy dodać duże ilości kwasu lub zasady, aby zrównoważyć proporcje i zmienić pH.

pH buforu różni się od jego pojemności buforowej. Zakres pH to zakres, w którym bufor jest skuteczny. Zazwyczaj mają użyteczny zakres w granicach 1 jednostki pH_{pK a} kwaśnego składnika buforu.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw Hill.