Буферов
Буферов
Когда в воду добавляют аррениусовую кислоту (HA), она диссоциирует на сопряженное основание (A-) и катион водорода (H+).
HA + H2O → H+(aq) + A…
Буферные растворы — это растворы, которые работают на поддержание постоянного pH в системе независимо от добавления сильных кислот или оснований. При отсутствии буферов добавление в раствор сильной кислоты или основания существенно изменяет рН. Буферы имеют решающее значение в повседневной жизни. Например, кровь действует как буфер и способна поддерживать pH в диапазоне от 7,35 до 7,45, поскольку pH выше 7,8 или ниже 6,8 может привести к смерти.
Итак, как работает буфер? Буфер — это, по сути, слабая кислота или основание и его сопряженное основание или кислота, находящиеся в равновесии друг с другом. Возьмем, к примеру, буфер из уксусной кислоты и ацетата натрия. Буферный раствор содержит слабую кислоту и ее сопряженную соль, которая диссоциирует с образованием ацетата сопряженного основания. Раствор является кислым, потому что Ka уксусной кислоты выше, чем Kb сопряженного основания.
Помните, что константа диссоциации, Ka или Kb, определяет силу кислоты или основания, соответственно, так как это константа равновесия для диссоциации соединения в воде. Константа диссоциации также может быть представлена в виде pKa, или отрицательного логарифма Ka, где чем меньше pKa, тем сильнее кислота. То же самое следует и для pKb, где чем меньше pKb, тем прочнее основание.
Возвращаясь к ацетатному буферу, если мы добавим сильное основание, такое как гидроксид натрия, ионы гидроксида вступят в реакцию с ионами гидроксония, присутствующими в растворе. Это приводит к тому, что большее количество уксусной кислоты вступает в реакцию с водой, чтобы вернуться к равновесию, тем самым образуя больше ионов гидроксония. Если мы добавим сильную кислоту, например, соляную кислоту, в растворе образуется больше ионов гидроксония. Эти ионы вступают в реакцию с ионами ацетата, образуя больше уксусной кислоты. В обоих случаях рН раствора изменяется очень незначительно.
Имейте в виду, что каждый буфер имеет определенный диапазон pH, в котором он может буферизировать раствор. Здесь мы показываем кривую титрования для буфера уксусной кислоты. Диапазон буферизации будет выделен. Эта область определяется уравнением Хендерсона-Хассельбальха, которое говорит нам, что pH буфера определяется Ka слабой кислоты и отношением сопряженного основания к слабой кислоте.
Вдали от этого рН слабая кислота или основание буфера истощается, и он не может буферизовать рН. Таким образом, при выборе буфера для вашего приложения выбирайте тот, pKa которого близок к желаемому pH.
Наконец, у всех буферов есть предел их буферной способности, то есть количество кислоты или основания, которое может быть добавлено в буферный раствор до того, как pH значительно изменится. Например, если мы добавим слишком много кислоты в буферный раствор уксусной кислоты и ацетата натрия, мы протонируем все ионы ацетата и накопим много ионов гидроксония, тем самым снизив pH.
Точно так же, если мы добавим слишком много основания, мы депротонируем всю уксусную кислоту и накопим много гидроксид-ионов, тем самым увеличивая pH. Таким образом, на буферную способность влияет концентрация слабой кислоты и сопряженной соли. Таким образом, 1-молярный ацетатный буфер обладает более высокой буферной способностью, чем 0,1-молярный ацетатный буфер.
В этой лаборатории вы будете готовить и исследовать буферы с широким диапазоном pH. Затем вы будете использовать буферы для определенияpK a индикатора pH, называемого нейтральным красным, и исследуете изменение pKa нейтрального красного при введении белка, связывающего рибофлавин.
Буферные растворы — это растворы, которые работают на поддержание постоянного pH в системе независимо от добавления сильных кислот или оснований. При отсутствии буферов добавление в раствор сильной кислоты или основания существенно изменяет рН. Буферы имеют решающее значение в повседневной жизни. Например, кровь действует как буфер и способна поддерживать pH в диапазоне от 7,35 до 7,45, поскольку pH выше 7,8 или ниже 6,8 может привести к смерти.
Итак, как работает буфер? Буфер — это, по сути, слабая кислота или основание и его сопряженное основание или кислота, находящиеся в равновесии друг с другом. Возьмем, к примеру, буфер из уксусной кислоты и ацетата натрия. Буферный раствор содержит слабую кислоту и ее сопряженную соль, которая диссоциирует с образованием ацетата сопряженного основания. Раствор является кислым, потому что Ka уксусной кислоты выше, чем Kb сопряженного основания.
Помните, что константа диссоциации, Ka или Kb, определяет силу кислоты или основания, соответственно, так как это константа равновесия для диссоциации соединения в воде. Константа диссоциации также может быть представлена в виде pKa, или отрицательного логарифма Ka, где чем меньше pKa, тем сильнее кислота. То же самое следует и для pKb, где чем меньше pKb, тем прочнее основание.
Возвращаясь к ацетатному буферу, если мы добавим сильное основание, такое как гидроксид натрия, ионы гидроксида вступят в реакцию с ионами гидроксония, присутствующими в растворе. Это приводит к тому, что большее количество уксусной кислоты вступает в реакцию с водой, чтобы вернуться к равновесию, тем самым образуя больше ионов гидроксония. Если мы добавим сильную кислоту, например, соляную кислоту, в растворе образуется больше ионов гидроксония. Эти ионы вступают в реакцию с ионами ацетата, образуя больше уксусной кислоты. В обоих случаях рН раствора изменяется очень незначительно.
Имейте в виду, что каждый буфер имеет определенный диапазон pH, в котором он может буферизировать раствор. Здесь мы показываем кривую титрования для буфера уксусной кислоты. Диапазон буферизации будет выделен. Эта область определяется уравнением Хендерсона-Хассельбальха, которое говорит нам, что pH буфера определяется Ka слабой кислоты и отношением сопряженного основания к слабой кислоте.
Вдали от этого рН слабая кислота или основание буфера истощается, и он не может буферизовать рН. Таким образом, при выборе буфера для вашего приложения выбирайте тот, pKa которого близок к желаемому pH.
Наконец, у всех буферов есть предел их буферной способности, то есть количество кислоты или основания, которое может быть добавлено в буферный раствор до того, как pH значительно изменится. Например, если мы добавим слишком много кислоты в буферный раствор уксусной кислоты и ацетата натрия, мы протонируем все ионы ацетата и накопим много ионов гидроксония, тем самым снизив pH.
Точно так же, если мы добавим слишком много основания, мы депротонируем всю уксусную кислоту и накопим много гидроксид-ионов, тем самым увеличивая pH. Таким образом, на буферную способность влияет концентрация слабой кислоты и сопряженной соли. Таким образом, 1-молярный ацетатный буфер обладает более высокой буферной способностью, чем 0,1-молярный ацетатный буфер.
В этой лаборатории вы будете готовить и исследовать буферы с широким диапазоном pH. Затем вы будете использовать буферы для определенияpK a индикатора pH, называемого нейтральным красным, и исследуете изменение pKa нейтрального красного при введении белка, связывающего рибофлавин.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: How does a buffer maintain constant pH when acids or bases are added?
A buffer contains a weak acid and its conjugate base in equilibrium. When a strong acid is added, the conjugate base neutralizes the excess hydrogen ions by forming more weak acid. When a strong base is added, the weak acid donates hydrogen ions to neutralize hydroxide ions. This equilibrium shift prevents significant pH changes, unlike unbuffered solutions where pH changes dramatically.
Q2: What is the common ion effect and how does it work in buffers?
The common ion effect occurs when an ion already present in an equilibrium mixture is added, causing the equilibrium to shift away from forming more of that ion. In an acetate buffer, adding acetate ions suppresses acetic acid dissociation, decreasing hydrogen ion concentration. This phenomenon is fundamental to how buffers resist pH change when strong acids or bases are introduced to the solution.
Q3: Why is pKa important when selecting a buffer for a specific application?
The Henderson-Hasselbalch equation shows that buffer pH depends on the pKa of the weak acid and the ratio of conjugate base to weak acid. A buffer is most effective within one pH unit of its pKa, where both buffer components are present in significant concentrations. Choosing a buffer with pKa close to your desired pH ensures optimal buffering capacity and effectiveness.
Q4: What factors determine the buffering capacity of a buffer solution?
Buffering capacity depends on the concentration of the buffer components—the weak acid and its conjugate base. Higher concentrations provide greater capacity to resist pH change. Additionally, when the concentrations of both components are similar, the buffer is more effective because the component ratio remains relatively stable when acid or base is added, requiring larger amounts of added acid or base to disrupt equilibrium.
Q5: How does the dissociation constant Ka relate to acid strength in buffers?
The dissociation constant Ka is the equilibrium constant for acid dissociation in water and defines acid strength. Higher Ka values indicate stronger acids, while lower Ka values indicate weaker acids. The pKa, the negative logarithm of Ka, provides a convenient scale where smaller pKa values represent stronger acids. In buffers, the Ka of the weak acid component determines the buffer's pH range and effectiveness.
Q6: What happens when too much strong acid or base is added to a buffer?
When excess strong acid is added, all conjugate base ions are protonated, accumulating hydronium ions and lowering pH significantly. When excess strong base is added, all weak acid molecules are deprotonated, accumulating hydroxide ions and raising pH. In both cases, the buffer's components are depleted, and the buffering effect is lost, causing dramatic pH changes.
Q7: Why do weak acids and bases make better buffers than strong acids and bases?
Weak acids and bases partially dissociate in water, creating equilibrium between the molecular and ionic forms. This equilibrium allows the buffer to respond to added acids or bases by shifting the equilibrium position. Strong acids and bases completely dissociate, leaving no molecular form to buffer against pH changes. Therefore, weak acid-conjugate base pairs provide the necessary components for effective buffering.