Bufferløsning

I kjemi er en bufferløsning en løsning som holder omtrent samme pH til tross for tilsetning av små mengder av en syre eller en base , eller til tross for fortynning . Hvis ett av disse tre kriteriene ikke er oppfylt, er løsningen en pseudobufferløsning.

En bufferløsning består av:

eller en svak syre HA og dens anion A - . Det er for eksempel paret CH 3 COOH / CH 3 COO - ;
eller en svak base B og dets kation BH + såsom NH 4 + / NH tre par .

Det er i menneskelig blod en fysiologisk bufferoppløsning dannet av paret H 2 CO 3 / HCO 3 - som holder blodets pH mellom 7,35 og 7,45.

Det er også redoksbuffere som omtrent vil løse potensialet til løsninger og ioniske buffere som omtrent vil feste ionestyrken til løsninger.

pH i en bufferløsning

PH holdes konstant takket være absorpsjonen eller frigjøringen av et H + -ion av artene som er tilstede i løsningen. For eksempel gir eddiksyre (som er en av bestanddelene i eddik):

{\ displaystyle {\ rm {CH_ {3} COOH _ {(aq)} \ rightleftharpoons CH_ {3} COO _ {(aq)} ^ {-} + H _ {(aq)} ^ {+}}}}

Denne reaksjonen er reversibel og i likevekt . Når en forbindelse av denne typen er til stede i en løsning, de to molekylarter CH 3 COOH og CH 3 COO - er derfor til stede. Således, hvis for eksempel en syre tilsettes til denne løsningen, forbrukes en del av den i følgende reaksjon:

{\ displaystyle {\ rm {CH_ {3} COO _ {(aq)} ^ {-} + H _ {(aq)} ^ {+} \ rightleftharpoons CH_ {3} COOH _ {(aq)}}}

Andelen av CH 3 COO - og CH 3 COOH art er derfor modifisert, men pH varierer mye mindre enn om disse molekylene ikke var til stede i vannet. Dette kalles " buffereffekten ".

PH evolusjon

Vi tar først definisjonen av pH som gitt av Henderson-Hasselbalch-ligningen .

Det anses derfor at :, med [A - ] konsentrasjonen av den konjugerte basen og [AH] konsentrasjonen av syren. ${\ displaystyle \ mathrm {pH} = \ mathrm {p} K _ {\ text {a}} + \ log \ left ({\ frac {[\ mathrm {A} ^ {-}]} {[\ mathrm { AH}]}} \ høyre)}$

En forsuring (å bringe ny proton H + ) eller en alkalisering (forbruker protoner H + som eksisterer) vil forårsake endring i mengden HA (og den av A - ) endring på grunn av forskyvning av likevekt . Effekten av denne forsuring eller alkalisering kan således forstås ved å måle endringen i syremengden.

Tanken er å uttrykke pH-verdien som en funksjon av syremengden, for deretter å finne den syremengden som pH varierer minst for: det er et spørsmål om å lete etter buffringseffekten.

Ved kjemisk likevekt, hvis det er n a mol AH, vil det være n - n a mol A - , n er den totale mengden av syren AH og dens konjugatbase A - .

Siden syren og dens konjugatbase har samme volum, kan vi forenkle volumet i Henderson-Hasselbalch-ligningen og oppnå et forhold mellom mengdene som nettopp er uttrykt.

{\ displaystyle \ mathrm {pH} = f \ left ({\ frac {[\ mathrm {A} ^ {-}]} {[\ mathrm {AH}]}} \ right) = f \ left ({\ frac {nn _ {\ text {a}}} {n _ {\ text {a}}}} \ høyre)}

For å studere variasjonen, må vi utlede dette første uttrykket med hensyn til og vi finner ${\ displaystyle n _ {\ text {a}}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {pH} '= {\ frac {1} {\ ln (10)}} {\ frac {-n} {n _ {\ text {a}} (n-n _ {\ text {a} })}}.}$

En annen avledning avslører et bøyningspunkt av pH ( n a ): forsvinner med variasjon i tegnet: ${\ displaystyle {\ rm {pH ''}}}$

{\ displaystyle \ mathrm {pH} '' = {\ frac {1} {\ ln (10)}} {\ frac {n (n-2n _ {\ text {a}})} {(n _ {\ tekst {a}} (n-n _ {\ text {a}})) ^ {2}}}.}

Dette betyr at variasjonen i pH (pH ') tillater et absolutt (maksimum) ekstremum.

Siden pH-verdien ( n en ) er avtagende, maksimum av den deriverte funksjonen betyr at en minimal variasjon i pH-verdi : dette er buffereffekten.

For å finne verdien av n a som oppnår denne buffereffekten, løser vi : vi finner derfor n (AH) = n / 2 = n (A - ) og [AH] = [A - ]. Denne buffereffekten oppnår således pH = p K a . ${\ displaystyle \ mathrm {pH} '' = 0}$ ${\ displaystyle n _ {\ text {a}} = n / 2}$

Dette forklarer hvorfor vi må velge bufferløsningen slik at dens p K a er så nær den ønskede pH som mulig.

Bufferkapasitet PT (eller τ )

Muligheten av en bufferløsning for å kjempe mot endringer i pH-verdien av den buffer kraft (angitt PT eller τ ) blir evaluert .

Den maksimale bufferkapasiteten til en løsning oppnås for en ekvimolær blanding mellom (for eksempel) den svake syren HA og dens tilsvarende anion A - . I dette tilfellet er den pH-verdi er lik verdien av p K et av paret i oppløsning.

Bevis på pH = p K a

I følge Henderson-Hasselbalch-ligningen : med [A - ] konsentrasjonen av konjugatbasen og [AH] konsentrasjonen av syren. ${\ displaystyle \ mathrm {pH} = \ mathrm {p} K _ {\ text {a}} + \ log \ left ({\ frac {[\ mathrm {A} ^ {-}]} {[\ mathrm { AH}]}} \ høyre)}$

Imidlertid, i sammenheng med bufferløsninger, [AH] = [A - ].

Derfor

{\ displaystyle \ mathrm {pH} = \ mathrm {p} K _ {\ text {a}} + \ log (1) = \ mathrm {p} K _ {\ text {a}}}

Maksimal bufferkapasitet er desto viktigere ettersom bufferløsningen er konsentrert: (med C konsentrasjonen av den svake syren og dens tilsvarende anion). ${\ displaystyle PT _ {\ text {max}} = 1,15 \; C}$

Bufferkraft ( PT ) er funksjonen som viser bufferløsningens evne til å motstå forstyrrende elementer.

Vi definerer denne bufferkraften som funksjonen:

{\ displaystyle PT = {\ frac {\ mathrm {d} y} {\ mathrm {d} \ mathrm {pH}}}}

Målet er å gjøre det maksimalt, slik at man bringer maksimalt forstyrrende element "y" til løsningen for en minimal variasjon av pH. Dette er tilfelle der systemet dannes. Vi har derfor A = AH . Denne mengde er referert til ved den variable C .

Vi tar det innledende forholdet, pH = p K a + log (A - - y ) / (AH + y ).

Ved å utlede dette uttrykket får vi pH '= 1 / ln (10) × (2 C ) / ( C 2 - y 2 ). Det ble antatt at bufferkapasiteten er den omvendte av derivatet som ble utført tidligere.

Vi får PT = ln (10) × ( C 2 - Y 2 ) / (2 C ).

For å finne maksimal bufferkapasitet, må vi utlede funksjonen PT og løse PT ' = 0. Vi kan observere at bufferkapasiteten er maksimum når vi ikke legger til noen forstyrrende enhet, derfor for y = 0. Dermed får vi PT max = . $(\ ln (10) / 2) \ ganger c$

bruk

Bufferløsninger brukes:

som lagringsmedium for forskjellige molekyler: flertallet av biologiske prøver brukt i forskning lagres i en bufferløsning, ofte en fosfatbufret saltløsning (PBS) ved pH 7,4;
som reaksjonsmedium ;
ved å fastsette passende betingelser for fargestoffer som brukes i stofffarging;
for kalibrering av pH-meter .

Eksterne linker

Nøyaktig beregning av pH og bufferkapasitet for vandige løsninger med Excel (på engelsk eller portugisisk ).

Se også

Henderson-Hasselbalch-ligning

Merknader og referanser

Vi unngår begrepet konjugert sterk base fordi vi tar hensyn til syrebaseteorien til Arrhenius og ikke Brønsted.