Χωρητικότητα προσωρινής αποθήκευσης και υπολογισμοί

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε τι είναι η χωρητικότητα buffer και πώς να την υπολογίσετε. Θα σας παρέχουμε επίσης μια περιγραφή ενός παραδείγματος προβλήματος.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Τι είναι το Buffer Solution;
• Χημεία Οξέος Βάσεων
• Τι είναι το pH; Ο τύπος και η εξίσωση pH
• Ασθενή οξέα και ασθενείς βάσεις

Τι είναι η χωρητικότητα προσωρινής αποθήκευσης;

Τα ρυθμιστικά διαλύματα είναι ανθεκτικά στις αλλαγές του pH, αλλά δεν είναι ανίκητα! Προσθέστε αρκετά οξέα ή βάσεις σε ένα ρυθμιστικό διάλυμα και το pH του θα αλλάξει δραματικά.

Για να καταλάβετε γιατί συμβαίνει αυτό, θυμηθείτε ότι ένα ρυθμιστικό διάλυμα είναι ένα ασθενές οξύ και η συζευγμένη βάση του (ή μια ασθενής βάση και το συζευγμένο οξύ του). Ας ρίξουμε μια ματιά σε ένα παράδειγμα ενός τέτοιου ρυθμιστικού:το οξικό οξύ και η συζευγμένη βάση του, το οξικό.

CH₃ COOH_(aq) ⇄ CH₃ COO_(aq) + H_(aq)

Εδώ, όταν προσθέτουμε ένα οξύ στο ρυθμιστικό, το οξικό θα απορροφήσει τα προστιθέμενα πρωτόνια (Η+) και θα σχηματίσει οξικό οξύ, εμποδίζοντας τη συγκέντρωση Η+ του διαλύματος και κατά συνέπεια το pH του να αλλάξει πολύ. Ομοίως, όταν προσθέτουμε μια βάση στο ρυθμιστικό, το οξικό οξύ θα αντιδράσει με τη βάση για να σχηματίσει οξικό άλας και νερό, αποτρέποντας την αύξηση της συγκέντρωσης του ΟΗ.

Ωστόσο, αυτά τα οξικά οξέα και τα οξικά είναι πεπερασμένοι πόροι. Όταν προσθέτουμε πολύ οξύ ή βάση, θα εξαντλήσουν όλο το οξικό οξύ και το οξικό άλας του ρυθμιστικού διαλύματος, καθιστώντας έτσι το ρυθμιστικό διάλυμα ευαίσθητο σε δραματική αλλαγή του pH.

Η χωρητικότητα ρυθμιστικού διαλύματος, λοιπόν, είναι η ποσότητα οξέος ή βάσης που μπορούμε να προσθέσουμε στο ρυθμιστικό πριν αλλάξει δραματικά το pH του . Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα, τόσο περισσότερο οξύ και βάση μπορούμε να προσθέσουμε σε αυτό πριν αλλάξει σημαντικά το pH του.

Γενικές τάσεις στη χωρητικότητα προσωρινής αποθήκευσης

Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση του ασθενούς οξέος και της συζυγούς βάσης (ή μιας ασθενούς βάσης και ενός συζυγούς οξέος) ενός ρυθμιστικού, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η χωρητικότητά του. Για παράδειγμα, ένα ρυθμιστικό διάλυμα με [ασθενές οξύ] =0,50 Μ (το [ ] δηλώνει συγκέντρωση) και [συζευγμένη βάση] =0,30 Μ θα είχε μεγαλύτερη χωρητικότητα από ένα ρυθμιστικό με [ασθενές οξύ] =0,050 Μ και [συζευγμένη βάση] =0,030 Μ.

Εάν ένα ρυθμιστικό διάλυμα έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση του ασθενούς οξέος από εκείνη της συζυγούς βάσης, τότε θα έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα για προσθήκη βάσης.

Ομοίως, εάν ένα ρυθμιστικό διάλυμα έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση της συζυγούς βάσης από αυτή του ασθενούς οξέος, τότε θα έχει μεγαλύτερη ανοχή για το προστιθέμενο οξύ. Το αίμα, με την αναλογία διττανθρακικού προς ανθρακικό οξύ 20:1, είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα αυτού του τύπου ρυθμιστικού διαλύματος.

Πώς να υπολογίσετε την χωρητικότητα buffer;

Με πιο αυστηρούς όρους, η χωρητικότητα του ρυθμιστικού διαλύματος ορίζεται ως ο αριθμός των γραμμομορίων ενός οξέος ή μιας βάσης που πρέπει να προστεθούν σε 1 λίτρο ρυθμιστικού διαλύματος για να αλλάξει το pH του κατά 1 μονάδα.

Επομένως, για να υπολογίσουμε τη χωρητικότητα buffer, χρησιμοποιούμε τον ακόλουθο τύπο:

β =n / ΔpH

• β είναι χωρητικότητα buffer (είναι χωρίς μονάδα)
• n είναι ο αριθμός γραμμομορίων ενός οξέος ή μιας βάσης (που προστέθηκαν στο ρυθμιστικό διάλυμα) ανά λίτρο ρυθμιστικού διαλύματος
• ΔpH είναι η διαφορά μεταξύ του αρχικού pH του ρυθμιστικού και του pH του ρυθμιστικού μετά την προσθήκη του οξέος ή της βάσης

Παράδειγμα προβλήματος χωρητικότητας buffer

Πρόβλημα:

Μας δίνονται 600 mL ρυθμιστικού διαλύματος φωσφορικού νατρίου με pH 7,39. Στη συνέχεια προσθέτουμε σε αυτό 150 mL 0,2 M HCl, το οποίο δίνει στο ρυθμιστικό διάλυμα ένα νέο pH 7,03. Ποια είναι η χωρητικότητα του ρυθμιστικού μας φωσφορικού νατρίου;

Λύση:

Αρχικά, βρίσκουμε το n διαιρώντας τον αριθμό των mol HCl που προσθέσαμε στο ρυθμιστικό διά του αρχικού όγκου του ρυθμιστικού διαλύματος (σε λίτρα, μην ξεχνάτε!).

Αριθμός γραμμομορίων HCl =0,2 M × 0,150 L =0,03 mol

n =0,03 moles / 0,600 L =0,05 mol/L

Στη συνέχεια, ακολουθώντας τον τύπο, διαιρούμε το n με τη μεταβολή του pH του διαλύματος φωσφορικού νατρίου.

ΔpH =|7,03 – 7,39| =0,36

β =0,05 mol/L / 0,36 =0,14

Έτσι, η ρυθμιστική ικανότητα του διαλύματος φωσφορικού νατρίου μας είναι 0,14.

Περισσότερες αναγνώσεις

• Εξίσωση Henderson-Hasselbalch
• Ισχυρά οξέα και βάσεις
• Μονοπρωτικά, Τριπρωτικά και Πολυπρωτικά Οξέα