Προβλήματα λύσης buffer
Το ρυθμιστικό διάλυμα είναι ένας χημικός παράγοντας που βοηθά στη διατήρηση του pH ενός διαλύματος περίπου σταθερό, ακόμη και όταν προστίθενται οξέα ή βάσεις. Η ρυθμιστική ρύθμιση είναι ζωτικής σημασίας στα ζωντανά συστήματα, επιτρέποντάς τους να διατηρήσουν την ομοιόσταση ή ένα σχετικά σταθερό εσωτερικό περιβάλλον. Ωστόσο, σε αυτό το άρθρο, το κύριο θέμα συζήτησης είναι τα προβλήματα λύσης buffer που θα σας βοηθήσουν να προετοιμάσετε λύσεις χωρίς μεγάλη ταλαιπωρία.
Ποιος είναι ο σκοπός ενός buffer;
Το ρυθμιστικό μπορεί να οριστεί ως ένα συζυγές μείγμα οξέος και συζυγούς βάσης που μπορεί να αντέξει τις μετατοπίσεις του pH όταν εισάγονται μικρές ποσότητες ισχυρού οξέος και βάσης.
- Το οξύ στο ρυθμιστικό εξουδετερώνει τα ιόντα υδροξειδίου εφαρμόζοντας μια ισχυρή βάση.
- Η βάση στο ρυθμιστικό εξουδετερώνει τα ιόντα υδρονίου όταν εφαρμόζεται ένα ισχυρό οξύ.
Ρυθμιστικά διαλύματα με ισχυρά οξέα ή βάσεις
Τώρα που παρουσιάσαμε τον σκοπό, ας διερευνήσουμε τι συμβαίνει όταν προσθέτουμε ένα ισχυρό οξύ ή βάση στο ρυθμιστικό διάλυμα F-/HF. Θυμηθείτε ότι η ποσότητα του F- στο διάλυμα είναι 0,66M x 0,1 L =0,066 moles, ενώ η ποσότητα του HF στο διάλυμα είναι 1,0 M x 0,1L =0,10 moles. Ας χρησιμοποιήσουμε την προσέγγιση Henderson-Hasselbalch για να ελέγξουμε διπλά το pH, χρησιμοποιώντας moles αντί για συγκεντρώσεις:
Log(Βάση/Οξύ) =3,18 + log (0,066 moles F-/0,10 moles HF) =3,00 pH =pKa + log (Βάση/Οξύ) =3,18 + log (0,066 moles F-/0,10 moles HF) =3,00
Ας παρατηρήσουμε τι συμβαίνει όταν προστίθεται μια μικρή ποσότητα ισχυρού οξέος, όπως το HCl.
Όταν διαλύουμε το HCl στο νερό, διαχωρίζεται σε H3O+ και Cl-.
Επειδή το χλώριο είναι η συζευγμένη βάση ενός ισχυρού οξέος, είναι αδρανές και δεν επηρεάζει το pH, επομένως μπορεί να το αγνοήσουμε. Το H3O+, από την άλλη πλευρά, μπορεί να αλλάξει το pH και να αντιδράσει με τα ρυθμιστικά συστατικά μας. Ο τύπος είναι ο εξής:
F−(aq)+H3O(aq)+⇌HF(aq)+H2O(l)
Καθώς μια ισοδύναμη ποσότητα της συζυγούς βάσης αντιδρά για κάθε γραμμομόριο H3O+ που προστίθεται, η αντίδραση θα συνεχιστεί μέχρι να εξαντληθεί πρακτικά το ένα ή το άλλο. Έτσι, η σταθερά ισορροπίας για την αντίδραση είναι τεράστια.
Εάν το F- εξαντληθεί πριν καταναλωθεί όλο το H3O+, το υπόλοιπο H3O+ θα αλλάξει άμεσα το pH. Σε αυτήν την περίπτωση, η χωρητικότητα του buffer θα ξεπεραστεί, κάτι που θέλετε να αποφύγετε. Ας υποθέσουμε ότι η ποσότητα του επιπλέον H3O+ είναι μικρότερη από την ποσότητα του υπάρχοντος F-. Σε αυτήν την περίπτωση, η χωρητικότητα του buffer μας δεν θα ξεπεράσει.
Πρόβλημα:
Όταν pH =pKa σε ένα ρυθμιστικό, ποια είναι η αναλογία βάσης προς οξύ; Τι συμβαίνει εάν pH =PKA + 1;
Λύση:
Όταν η αναλογία βάσης προς οξύ είναι 1, το pH ισούται με pKa επειδή log 1 =0. Όταν log (βάση/οξύ) =1, η αναλογία βάσης προς οξύ είναι 10:1.
Πρόβλημα:
Όταν διαλυθεί αρκετό υδροχλωρικό οξύ για να γίνει 0,16 M HCl, προσδιορίστε το pH ενός ρυθμιστικού διαλύματος 0,5 M NH3 και 0,5 M NH4Cl;
Λύση:
Επειδή pKa =14 – pKb, το pKa των ιόντων αμμωνίου είναι 9,25. Όταν 0,16 Μ Η+ αλληλεπιδρά με 0,15 Μ αμμωνία, σχηματίζεται αμμώνιο 0,15 Μ. Η εξίσωση Henderson-Hasselbalch αποδίδει pH 8,98 όταν υποκαθίστανται 0,65 M ιόντος αμμωνίου (οξύ) και 0,35 M υπολειπόμενης αμμωνίας (βάση).
Πρόβλημα:
Για να φτιάξετε 1,00 L ενός ρυθμιστικού διαλύματος 0,100 mol/L με pH 5,00, πόσα mol οξικού νατρίου και οξικού οξέος πρέπει να χρησιμοποιήσετε;
Λύση:
pH =log([A][HA]) + pKa
4,74 + log([A][HA]) =5,00
[A][HA]) =0,26 ημερολόγιο ([A][HA]) ημερολόγιο ([A][HA]) ημερολόγιο ([A]
[A][HA]=10,26 =1,82 [A][HA]=10,26 =1,82 [A][HA]=10,26
1,82 [A] =1,82 [A] =1,82 [A] =1,82 [HA]
Επιπλέον, [A] + [HA] =0,100 mol/L
[HA] + [HA] =0,100 mol/L [HA] + [HA] =1,82 [HA] + [HA] =0,100 mol/L
0,100 mol/L [HA] =2,82
[HA] =0,0355 mol/L [A] =(0,100 – 0,0355) mol/L =0,0645 mol/L
Έτσι, για να φτιάξετε 1 L ρυθμιστικού διαλύματος, συνδυάστε 0,0355 mol οξικού οξέος και 0,0645 mol οξικού νατρίου.
Τι είναι τα στοιχεία ενός buffer;
Απαιτείται ένα ασθενές συζυγές ζεύγος οξέος-βάσης για να διατηρηθεί αποτελεσματικά ένα εύρος pH. Κατά την κατασκευή του ρυθμιστικού διαλύματος, η χρήση του ενός ή του άλλου θα βασίζεται στο επιθυμητό pH.
Για παράδειγμα:
Το οξικό οξύ (ένα ασθενές οργανικό οξύ CH3COOH) και το αλάτι έχουν το οξικό ανιόν (CH3COO-), όπως το οξικό νάτριο (CH3COONa).
Το άλας Πυριδίνης (ασθενής βάση με τύπο C5H5N) και χλωριούχου πυριδινίου έχει το συζυγές οξύ του (C5H5NH+).
Η αμμωνία (ασθενής βάση με τον τύπο NH3) και το αλάτι περιέχουν το συζευγμένο οξύ του κατιόντος αμμωνίου, όπως το υδροξείδιο του αμμωνίου (NH4OH).
Συμπέρασμα
Ένα ρυθμιστικό είναι ένα μείγμα που μπορεί να αντέξει την αλλαγή του pH όταν προστίθενται όξινα ή βασικά συστατικά. Μπορεί να εξουδετερώσει μικρές ποσότητες προστιθέμενου οξέος ή βάσης, επιτρέποντας στο pH του διαλύματος να παραμείνει σχετικά σταθερό. Τα ρυθμιστικά διαλύματα έχουν λειτουργικό εύρος pH και ικανότητα να καθορίζουν πόσο οξύ/βάση μπορεί να εξουδετερωθεί πριν από την αλλαγή του pH.
