Bufory

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.

Bufory to roztwory, które działają w celu utrzymania stałego pH w systemie niezależnie od dodania mocnych kwasów lub zasad. W przypadku braku buforów dodanie mocnego kwasu lub zasady do roztworu znacznie zmienia pH. Bufory są kluczowe w życiu codziennym. Na przykład krew działa jak bufor i jest w stanie utrzymać pH między 7,35 a 7,45, ponieważ pH powyżej 7,8 lub poniżej 6,8 może spowodować śmierć.

Jak więc działa bufor? Bufor jest zasadniczo słabym kwasem lub zasadą i jego sprzężoną zasadą lub kwasem w równowadze ze sobą. Weźmy na przykład bufor wykonany z kwasu octowego i octanu sodu. Roztwór buforowy zawiera słaby kwas i jego sprzężoną sól, która dysocjuje, tworząc sprzężony octan zasadowy. Roztwór jest kwaśny, ponieważ K_a kwasu octowego jest wyższy niż K_b sprzężonej zasady.

Pamiętaj, że stała dysocjacji, K_a lub K_b, określa odpowiednio moc kwasu lub zasady, ponieważ jest to stała równowagi dla dysocjacji związku w wodzie. Stała dysocjacji może być również reprezentowana jako pK_a lub ujemny log K_a, gdzie im mniejsza pK_a, tym silniejszy kwas. To samo dotyczy pK_b, gdzie im mniejsza pK_b, tym silniejsza podstawa.

Wracając do buforu octanowego, jeśli dodamy mocną zasadę, taką jak wodorotlenek sodu, jony wodorotlenkowe reagują z jonami hydroniowymi obecnymi w roztworze. Powoduje to, że więcej kwasu octowego reaguje z wodą, aby powrócić do równowagi, tworząc w ten sposób więcej jonów hydroniowych. Jeśli dodamy mocny kwas, taki jak kwas solny, w roztworze powstaje więcej jonów hydroniowych. Jony te reagują z jonami octanowymi, tworząc więcej kwasu octowego. W obu przypadkach zmiana pH roztworu jest bardzo niewielka.

Należy pamiętać, że każdy bufor ma określony zakres pH, w którym może buforować roztwór. Tutaj pokazujemy krzywą miareczkowania dla naszego buforu kwasu octowego. Zakres buforowania jest podświetlony. Obszar ten jest określony równaniem Hendersona-Hasselbalcha, które mówi nam, że pH buforu jest określone przez K_a słabego kwasu i stosunek sprzężonej zasady do słabego kwasu.

Daleko od tego pH słaby kwas lub zasada buforu jest wyczerpana i nie może buforować pH. Tak więc, wybierając bufor do swojego zastosowania, wybierz taki, którego pK_a jest zbliżone do pożądanego pH.

Wreszcie, wszystkie bufory mają ograniczenie swojej zdolności buforowej, co oznacza ilość kwasu lub zasady, którą można dodać do roztworu buforowego, zanim pH ulegnie znaczącej zmianie. Na przykład, jeśli dodamy zbyt dużo kwasu do naszego roztworu buforowego kwasu octowego i octanu sodu, sprotonujemy wszystkie jony octanowe i zgromadzimy dużo jonów hydroniowych, obniżając w ten sposób pH.

Podobnie, jeśli dodamy zbyt dużo zasady, zdeprotonujemy cały kwas octowy i zgromadzimy dużo jonów wodorotlenkowych, zwiększając w ten sposób pH. Tak więc na zdolność buforową ma wpływ stężenie słabego kwasu i soli sprzężonej. Tak więc 1-molowy bufor octanowy ma większą pojemność buforową niż 0,1-molowy bufor octanu.

W tym laboratorium przygotujesz i zbadasz bufory o szerokim zakresie pH. Następnie użyjesz swoich buforów do określenia pK_a wskaźnika pH, zwanego neutralną czerwienią, i zbadasz zmianę pK neutralnej czerwieni _a po wprowadzeniu białka wiążącego ryboflawinę.