16.2
Tamponlar
Kayda değer miktarda zayıf eşlenik asit-baz çifti içeren bir çözelti, tampon çözelti veya tampon olarak adlandırılır. Tampon çözeltileri, küçük miktar…
Bir çözeltiye az miktarda asit veya baz eklemek, pH'ta önemli bir düşüşe veya artışa neden olabilir. Bununla birlikte, birçok kimyasal ve biyokimyasal işlemin çalışması için sabit bir pH değerine ihtiyacı vardır. Tamponlar, tamponlama kapasiteleri aşılmadığında bir çözeltinin pH'ında büyük bir değişikliği önleyebilir.
Tamponlar, zayıf bir asit ve bunun eşlenik bazı veya zayıf bir baz ve bunun eşlenik asidini içerir. Örneğin insan kanı, karbonik asit, zayıf bir asit ve bikarbonat iyonlarından oluşan bir tamponla pH'ını 7, 4 değerine yakın tutar. Eşlenik asit-baz çiftleri, eşlenik asit veya bazlarını nötralize etmedikleri için tamponlar oluşturur.
Örneğin asetik asit ve asetat reaksiyona giremez. Bununla birlikte, asetik asit, zayıf bir asit ve zayıf bir baz olan amonyak birlikte eklenirse, bir tuz-amonyum asetat oluşturmak üzere reaksiyona gireceklerdir. Bir tamponda, zayıf asit, üretilen hidroksit iyonları ile reaksiyona girerek eklenen herhangi bir bazı nötrleştirirken, konjugat bazı herhangi bir hidronyum iyonu ile reaksiyona girerek eklenen herhangi bir asidi nötralize eder.
Zayıf bir baz ve bunun eşlenik asidi durumunda benzer bir mekanizma çalışır. İki beher, X ve Y, her biri pH 7, 2 olan aynı hacimde farklı çözeltiler içerir. Beher X'deki çözelti tamponlu değildir.
Bunun aksine, beher Y'deki çözelti bir asetik asit-asetat tamponu içerir. Beher X'e hidroklorik asit eklenirse, artan hidronyum iyon konsantrasyonu nedeniyle çözeltinin pH'ı aniden düşer. Buna karşılık, beher Y'deki çözelti, hidroklorik asit eklendiğinde neredeyse sabit bir pH gösterir, çünkü tampon bileşenlerinden biri olan asetat, bir klorür iyonu ve asetik asit üretmek için hidroklorik asit ile reaksiyona girer.
Benzer şekilde, beher X'e sodyum hidroksit eklenirse, çözeltinin pH'ı, artan hidroksit iyonları konsantrasyonuna bağlı olarak aniden artacaktır. Öte yandan, beher Y'deki çözelti, tampon bileşenlerinden biri olan asetik asit, sodyum hidroksit ile reaksiyona girdiğinden ve sodyum asetat ve bir su molekülü ürettiğinden, sodyum hidroksit eklendiğinde pH'da minimum değişiklik gösterir. Tampon, bir çözeltisindeki konjugat asit-baz çiftinin konsantrasyonu, eklenen kuvvetli asit veya bazdan daha yüksek olduğu sürece, bir çözeltinin pH'ında ciddi bir değişikliği önleyebilir.
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.