pH και ρυθμιστικά διαλύματα

Εισαγωγή:

Ένα παράδειγμα ρυθμιστικού διαλύματος είναι ένα διάλυμα με βάση τον διαλύτη νερού που αποτελείται είτε από ένα ασθενές οξύ και τη συζευγμένη βάση του ασθενούς οξέος, είτε από μια ασθενή βάση και το συζευγμένο οξύ της ασθενούς βάσης, επιπλέον από μια ασθενή βάση . Είναι ανθεκτικά στις αλλαγές του pH που προκαλούνται από την αραίωση ή την προσθήκη μικρών ποσοτήτων οξέος ή αλκαλίου στο διάλυμά τους.

Η προσθήκη μιας πολύ μικρής ποσότητας ισχυρού οξέος ή ισχυρής βάσης στα ρυθμιστικά διαλύματα προκαλεί το pH του διαλύματος να αλλάξει μόνο κατά μια μικρή ποσότητα. Ως αποτέλεσμα, χρησιμοποιούνται για να διατηρηθεί μια σταθερή τιμή pH.

Λύση προσωρινής αποθήκευσης

Ένα ρυθμιστικό διάλυμα οξέος-βάσης είναι ένα διάλυμα που μπορεί να διατηρήσει τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου (pH) με μικρές μόνο αλλαγές όταν αραιώνεται ή όταν προστίθεται μικρή ποσότητα οξέος ή βάσης στο διάλυμα. Τα ρυθμιστικά διαλύματα χρησιμοποιούνται στη ζύμωση, στα συντηρητικά τροφίμων, στη διανομή φαρμάκων, στην ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, στην εκτύπωση, στη δραστηριότητα των ενζύμων και στην ικανότητα μεταφοράς οξυγόνου του αίματος. Απαιτούν συγκεκριμένη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου για να λειτουργήσουν σωστά (pH).

Τα διαλύματα ενός ασθενούς οξέος και της συζυγούς του βάσης ή μιας ασθενούς βάσης και του συζυγούς του οξέος, έχουν την ικανότητα να διατηρούν το pH και επομένως είναι γνωστά ως ρυθμιστικά διαλύματα.

Τύποι ρυθμιστικού διαλύματος

Τα όξινα και τα αλκαλικά ρυθμιστικά διαλύματα είναι οι δύο κύριοι τύποι ρυθμιστικών διαλυμάτων που μπορούν να ταξινομηθούν ευρέως σε δύο κατηγορίες.

Όξινα ρυθμιστικά διαλύματα

Αυτά τα διαλύματα, όπως υποδηλώνει το όνομα, χρησιμοποιούνται για να διατηρούν τα όξινα περιβάλλοντα διακριτικά και υγιή. Το pH ενός ρυθμιστικού διαλύματος οξέος είναι όξινο και παράγεται με την ανάμειξη ενός ασθενούς οξέος και του άλατος του με μια ισχυρή βάση για να σχηματιστεί ένα ρυθμιστικό διάλυμα οξέος. Το pH ενός υδατικού διαλύματος οξικού οξέος και οξικού νατρίου είναι 4,74 όταν οι συγκεντρώσεις των δύο οξέων είναι ίσες.

• Το pH αυτών των διαλυμάτων είναι χαμηλότερο από επτά.

• Ουσιαστικά, αυτά τα διαλύματα αποτελούνται από ένα ασθενές οξύ και ένα άλας ασθενούς οξέος.

Το οξικό νάτριο και το οξικό οξύ (pH =4,75), για παράδειγμα, είναι δύο οξέα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως όξινα ρυθμιστικά διαλύματα.

Αλκαλικά ρυθμιστικά διαλύματα

Αυτά τα ρυθμιστικά διαλύματα χρησιμοποιούνται για τη διατήρηση των θεμελιωδών συνθηκών στη θέση τους. Είναι δυνατό να δημιουργηθεί ένα βασικό ρυθμιστικό διάλυμα αναμειγνύοντας μια ασθενή βάση και το άλας της με ένα ισχυρό οξύ για να παραχθεί ένα βασικό pH. Το pH ενός υδατικού διαλύματος υδροξειδίου του αμμωνίου και χλωριούχου αμμωνίου είναι 9,25 όταν οι συγκεντρώσεις των δύο οξέων είναι ίσες.

Επιπλέον, το pH αυτών των διαλυμάτων είναι μεγαλύτερο από επτά.

Μια ασθενής βάση και ένα άλας ασθενούς βάσης υπάρχουν σε αυτές τις συνθέσεις.

Ένα αλκαλικό ρυθμιστικό διάλυμα, όπως ένα μείγμα υδροξειδίου του αμμωνίου και χλωριούχου αμμωνίου (pH =9,25), είναι ένα παράδειγμα βάσης.

Περί προσθήκης οξέος και βάσης

1. Όταν προστίθεται οξύ, τα οξικά ιόντα αφαιρούν τα απελευθερωμένα πρωτόνια του οξέος, σχηματίζοντας ένα μόριο οξικού οξέος.

Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος

Εάν είναι γνωστές οι σταθερές διάστασης του οξέος (pKa) και της βάσης (pKb), είναι δυνατό να παρασκευαστεί ένα ρυθμιστικό διάλυμα ελέγχοντας τις αναλογίες άλατος-οξέος ή άλατος-βάσης, αντίστοιχα.

Αυτός ο τύπος διαλύματος παρασκευάζεται με ανάμειξη ασθενών βάσεων με τα αντίστοιχα συζευγμένα οξέα τους ή με ανάμειξη ασθενών οξέων με τις αντίστοιχες συζευγμένες βάσεις τους, όπως συζητήθηκε προηγουμένως.

Ένα καλό παράδειγμα αυτής της μεθόδου παρασκευής ρυθμιστικών διαλυμάτων είναι η παρασκευή ενός ρυθμιστικού διαλύματος φωσφορικών με ανάμιξη HPO42- και H2PO4–, η οποία φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Αυτό το διάλυμα διατηρεί ένα pH 7,4 ανά πάσα στιγμή.

Εξίσωση Henderson-Hasselbalch

Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος οξέος

Ένα ρυθμιστικό διάλυμα οξέος που περιέχει ένα ασθενές οξύ (ΗΑ) και το άλας του (ΚΑ) σε συνδυασμό με μια ισχυρή βάση (ΒΒ) θεωρείται (ΚΟΗ). Είναι δυνατόν να γράψετε την ισορροπία ως εξής: 

Προετοιμασία του βασικού buffer

Εξετάστε την περίπτωση ενός βασικού ρυθμιστικού διαλύματος που περιέχει μια ασθενή βάση (Β) και το άλας της (ΒΑ) παρουσία ισχυρού οξέος.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το pOH μπορεί να υπολογιστεί.

• Το pOH ενός βασικού ρυθμιστικού διαλύματος υπολογίζεται ως pKb + log ([άλας]/[οξύ]).
• Το pH ενός βασικού ρυθμιστικού διαλύματος υπολογίζεται ως pKa – log ([άλας]/[οξύ]).

Σημασία του Henderson-Hasselbalch Εξίσωση

Η εξίσωση Henderson-Hasselbalch μπορεί να χρησιμοποιηθεί για: 

1. Υπολογίστε το pH ενός ρυθμιστικού διαλύματος που παρασκευάζεται από ένα μείγμα του άλατος και ενός ασθενούς οξέος/βάσης. και 
2. καθορίστε την τιμή του pKa.
3. Παρασκευάστε ένα ρυθμιστικό διάλυμα με το κατάλληλο pH.

Η εξίσωση Henderson-Hasselbalch έχει ορισμένους περιορισμούς.

Η εξίσωση Henderson – Hasselbalch δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ισχυρά οξέα ή βάσεις λόγω της φύσης της εξίσωσης.

Διατήρηση pH

Εξετάστε το ακόλουθο παράδειγμα ρυθμιστικού διαλύματος που περιέχει οξικό νάτριο και οξικό οξύ για να κατανοήσετε καλύτερα πώς τα ρυθμιστικά διαλύματα διατηρούν σταθερό pH.

Αυτό το παράδειγμα επεξηγεί πόσο σχεδόν πλήρως το οξικό νάτριο υφίσταται ιονισμό ενώ στην περίπτωση του οξικού οξέος συμβαίνει μόνο μια ασθενής ποσότητα ιονισμού. Το παρακάτω είναι ένα παράδειγμα αντίδρασης ισορροπίας:

Παρουσία ισχυρών οξέων, τα ιόντα H+ συνδυάζονται με τα ιόντα CH3COO– για να σχηματίσουν ένα ασθενώς ιονισμένο οξικό οξύ, με αποτέλεσμα μια αμελητέα αλλαγή στο pH του περιβάλλοντος περιβάλλοντος. Ελλείψει ισχυρών οξέων, το pH του περιβάλλοντος παραμένει σταθερό.

Με την εισαγωγή ισχυρά αλκαλικών ουσιών σε αυτό το ρυθμιστικό διάλυμα, τα ιόντα υδροξειδίου αντιδρούν με τα οξέα που υπάρχουν ήδη στο διάλυμα, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μορίων νερού. Έτσι τα ιόντα υδροξειδίου αντιδρούν με το οξύ για να σχηματίσουν νερό ενώ το pH παραμένει αμετάβλητο.

Συμπέρασμα:

Τα ρυθμιστικά διαλύματα pH, γνωστά και ως ρυθμιστικά διαλύματα ιόντων υδρογόνου, είναι υδατικά διαλύματα που έχουν ανιχνεύσιμη τιμή pH και των οποίων η τιμή pH αλλάζει μόνο ελαφρά όταν προστίθενται μικρές ποσότητες οξέων ή βάσεων. Τα ρυθμιστικά διαλύματα pH αποτελούνται τυπικά από μια συζευγμένη βάση και ένα ασθενές οξύ, τα οποία συνεργάζονται για να απορροφήσουν την περίσσεια ατόμων υδρογόνου από το διάλυμα και να διατηρήσουν μια σταθερή τιμή pH στο διάλυμα. Ως αποτέλεσμα, είναι αποτελεσματικά για τη βαθμονόμηση ηλεκτροχημικών ποτενσιόμετρων για μετρήσεις pH με χαμηλό επίπεδο αβεβαιότητας, βελτιώνοντας έτσι την ιχνηλασιμότητα.