Τι είναι το Buffer Solution;

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο χημείας, θα μυηθείτε στα buffers μαθαίνοντας τον ορισμό του ρυθμιστικού διαλύματος και τα συστατικά των όξινων και βασικών ρυθμιστικών διαλυμάτων και πώς αντιδρούν με προστιθέμενα οξέα και βάσεις. Επιπλέον, θα μάθετε παραδείγματα διαφορετικών δυνητικών buffer. Τέλος, θα θίξουμε την εξίσωση Henderson Hasselbalch. Ας μάθουμε, τι είναι μια λύση buffer;

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Χημεία Οξέος Βάσεων
• Ιδιότητες οξέων και βάσεων
• Ορισμός οξέος &βάσης Lewis
• Ισχυρά οξέα και βάσεις
• Θεωρίες οξέων βάσεων
• Κοινό φαινόμενο ιόντων

Ορισμός λύσης buffer

Στη χημεία, ο ορισμός του ρυθμιστικού διαλύματος είναι ένα διάλυμα που μπορεί να αντισταθεί στην αλλαγή του pH με την προσθήκη ενός οξέος ή μιας βάσης. Αποτελείται από ένα διάλυμα ενός ασθενούς οξέος και της συζυγούς του βάσης ή αντίστροφα.

Ένα ρυθμιστικό διάλυμα είναι ένα εξαιρετικά χρήσιμο διάλυμα που χρησιμοποιείται στη χημεία όξινων βάσεων. Μερικές φορές, όταν τα διαλύματα αναμιγνύονται με ένα ισχυρό οξύ ή βάση, το pH μπορεί να αλλάξει γρήγορα και δραματικά. Ένα ρυθμιστικό διάλυμα βοηθά στην εξουδετέρωση μέρους του προστιθέμενου οξέος ή βάσης, έτσι ώστε το pH να μπορεί να αλλάξει πιο σταδιακά. Αυτό επιτυγχάνεται αποτελούμενοι από συστατικά που θα αντιδρούν με ιόντα υδρογόνου ή υδροξειδίου έτσι ώστε να μην μπορούν να επηρεάσουν το pH στη μέγιστη χωρητικότητα.

Τα ρυθμιστικά διαλύματα έχουν όρια στο πόσο μπορούν να εξουδετερώσουν. Μόλις αυτό το ρυθμιστικό διάλυμα φτάσει στη χωρητικότητά του, το διάλυμα θα λειτουργήσει σαν να μην υπάρχει ρυθμιστικό διάλυμα και το pH μπορεί να αρχίσει να αλλάζει δραματικά για άλλη μια φορά.

Η ανάλυση και ο πειραματισμός με ισχυρά οξέα και βάσεις γίνονται ευκολότερα με τη χρήση ρυθμιστικών διαλυμάτων. Το ρυθμιστικό σύστημα βιοανθρακικών, το οποίο χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση του pH του αίματος, είναι ένα παράδειγμα πραγματικής χρήσης ρυθμιστικών διαλυμάτων.

Συστατικά ενός ρυθμιστικού διαλύματος

Ένα ρυθμιστικό διάλυμα πρέπει να περιέχει μία από τις δύο επιλογές:ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση ή μια ασθενή βάση και το συζυγές οξύ του. Ο τρόπος επιλογής των συστατικών έχει να κάνει με το επιθυμητό pH του διαλύματος.

Όξινο ρυθμιστικό διάλυμα

Ένα όξινο ρυθμιστικό διάλυμα έχει pH μικρότερο από 7. Αυτά τα διαλύματα παρασκευάζονται με ένα ασθενές οξύ και τη συζευγμένη βάση του ως άλας. Εάν θέλετε να αλλάξετε το pH του διαλύματος, μπορείτε να αλλάξετε την αναλογία μεταξύ οξέος και αλατιού. Επιπλέον, διαφορετικά οξέα (μαζί με τα συζευγμένα τους άλατα) μπορούν να επηρεάσουν το pH με διαφορετικούς τρόπους.

Το οξικό οξύ και το οξικό νάτριο είναι ένα παράδειγμα ασθενούς οξέος και του συζυγούς του άλατος. Η όξινη ισορροπία πηγαίνει αριστερά. Ωστόσο, εάν προσθέσετε οξικό νάτριο, προστίθενται οξικά ιόντα στο διάλυμα. Λόγω της Αρχής του Le Chatelier, η ισορροπία θα αλλάξει στη συνέχεια προς τα αριστερά.

CH₃ COOH_(aq) ⇄ CH3COO_(aq) + H_(aq)

Προσθήκη οξέος σε όξινο ρυθμιστικό διάλυμα

Έχοντας υπόψη το παράδειγμα ρυθμιστικού διαλύματος από πάνω, τι θα συνέβαινε αν προστεθεί οξύ; Το ρυθμιστικό διάλυμα πρέπει να λειτουργήσει για να αφαιρέσει τα ιόντα υδρογόνου από το εισερχόμενο οξύ. Τα οξικά ιόντα θα συνδυαστούν με αυτά τα ιόντα υδρογόνου για να δημιουργήσουν οξικό οξύ. Δεδομένου ότι το οξικό οξύ είναι ασθενές οξύ, η αντίδραση μπορεί να αφαιρέσει τα ιόντα υδρογόνου πιο γρήγορα από ό,τι το οξικό οξύ μπορεί να διασπαστεί ξανά. γι' αυτό το pH δεν αλλάζει δραματικά.

Προσθήκη βάσης σε όξινο ρυθμιστικό διάλυμα

Και πάλι, ας έχουμε κατά νου το ρυθμιστικό διάλυμα από πάνω. Η προσθήκη βάσης για αλληλεπίδραση με αυτό το buffer είναι λίγο πιο περίπλοκη. Το οξικό οξύ θα αλληλεπιδράσει με το ιόν υδροξειδίου από τη βάση που θα προκαλέσει το σχηματισμό οξικών ιόντων, μαζί με το νερό. Δεδομένου ότι τα ιόντα υδροξειδίου αφαιρούνται από αυτό, δεν θα προκαλέσουν αύξηση του pH. Επιπλέον, επιπλέον ιόντα υδρογόνου από τη διάσπαση του οξικού οξέος μπορούν επίσης να συνδυαστούν με το υδροξείδιο για να σχηματίσουν νερό. Με αυτές τις μεθόδους, τα περισσότερα από τα ιόντα υδροξειδίου αλληλεπιδρούν με ιόντα υδρογόνου για να αφαιρέσουν τη βασική παρουσία, αλλά όχι αρκετά για να αλλάξουν δραστικά το pH.

Βασικό (αλκαλικό) ρυθμιστικό διάλυμα

Ένα βασικό ρυθμιστικό έχει pH μεγαλύτερο από 7. Αυτά τα διαλύματα παρασκευάζονται από μια ασθενή βάση και το συζευγμένο οξύ της ως άλας. Οι συγκεντρώσεις και των δύο συστατικών πρέπει να είναι ίσες στην αρχή. Ωστόσο, όπως και τα όξινα ρυθμιστικά διαλύματα, μπορείτε να αλλάξετε το pH του διαλύματος αλλάζοντας την αναλογία μεταξύ βάσης και όξινου άλατος.

Η αμμωνία και το χλωριούχο αμμώνιο είναι ένα παράδειγμα ασθενούς βάσης με το συζυγές οξύ της. Η ισορροπία πηγαίνει προς τα αριστερά. Ωστόσο, εάν προσθέσετε χλωριούχο αμμώνιο, προστίθενται ιόντα αμμωνίου στο διάλυμα. Αυτή τη φορά, η Αρχή του Le Chatelier θα κάνει την ισορροπία να μετακινηθεί ακόμα πιο αριστερά.

NH_3(aq) + H₂ O_{(l )} ⇄ NH_{4 (aq)} + OH_(aq)

Προσθήκη οξέος στο βασικό ρυθμιστικό διάλυμα

Έχοντας υπόψη το παράδειγμα ρυθμιστικού διαλύματος από πάνω, ας αναλύσουμε τι θα συνέβαινε αν προστεθεί οξύ. Το υδρογόνο από το προστιθέμενο οξύ θα αλληλεπιδράσει με την αμμωνία για να σχηματίσει ιόντα αμμωνίου. Αυτό θα προκαλέσει την απομάκρυνση πολλών ιόντων υδρογόνου. Επιπλέον, υπάρχουν μερικά ιόντα υδροξειδίου στο διάλυμα, λόγω της αντίδρασης μεταξύ αμμωνίας και νερού. Αυτά τα ιόντα υδροξειδίου θα αλληλεπιδράσουν με τα όξινα υδρογόνα για να σχηματίσουν περισσότερο νερό. Αυτές οι μέθοδοι θα προκαλέσουν την απομάκρυνση των περισσότερων από τα ιόντα υδρογόνου για την απομάκρυνση της όξινης παρουσίας, η οποία θα βοηθήσει στη ρύθμιση της αλλαγής του pH.

Προσθήκη βάσης στο βασικό buffer

Τι θα γινόταν αν προστεθεί βάση στο ρυθμιστικό διάλυμα από πάνω; Το ρυθμιστικό διάλυμα πρέπει να λειτουργήσει για να αφαιρέσει τα ιόντα υδροξειδίου από την εισερχόμενη βάση. Τα ιόντα αμμωνίου στο διάλυμα θα αντιδράσουν με τα ιόντα υδροξειδίου. Επειδή η αμμωνία είναι αδύναμη βάση, η αντίδραση μπορεί να είναι αντίστροφη όταν αντιδρά με νερό, αλλά δεν θα αφαιρεθούν όλα τα ιόντα υδροξειδίου από το διάλυμα. Λόγω αυτού, το pH δεν θα αλλάξει δραματικά.

Παραδείγματα λύσεων buffer

• Οξικό οξύ και συζυγής βάση:CH₃ COOH &CH₃ COO
• Μυρμηκικό οξύ και συζευγμένη βάση:HCHO₂ &CHO₂
• Πυριδίνη και συζυγές οξύ:C₅ H₅ Ν &Γ₅ H₅ H
• Αμμωνία και συζευγμένο οξύ:NH₃ &NH₄
• Μεθυλαμίνη και συζυγές οξύ:CH₃ NH₂ &CH₃ NH₃

Εξίσωση Henderson Hasselbalch

Όταν δημιουργείτε ένα ρυθμιστικό χρησιμοποιώντας ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση, διατηρεί ένα ρυθμιστικό pH και μπορεί να αντισταθεί στις αλλαγές αυτού του pH εάν προστεθούν μικρές ποσότητες επιπλέον οξέος ή βάσης. Η εξίσωση Henderson Hasselbalch , που φαίνεται παρακάτω, χρησιμοποιεί το pKa του ασθενούς οξέος για να υπολογίσει ποιο είναι το ρυθμιστικό pH. Θα αναφερθούμε σε λεπτομερή παραδείγματα χρησιμοποιώντας αυτήν την εξίσωση σε ξεχωριστό άρθρο.

Περαιτέρω ανάγνωση

• Οι χημικές αντιδράσεις γίνονται εύκολα
• Μίγματα Vs. Ενώσεις
• Η Αρχή του Le Chatelier
• Κατανόηση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής