Kā pagatavot buferšķīdumu
Pendahuluan
Buferšķīdums ir ķīmisks šķīdums, kas uztur relatīvi nemainīgu pH līmeni pat tad, ja pievieno nelielu daudzumu skābes vai bāzes. Buferšķīdumi ir svarīgi dažādās jomās, tostarp bioķīmijā, farmācijā un pētniecības laboratorijās. Šajā rakstā tiks aplūkota buferšķīduma pagatavošana, tostarp sniegta pamatzināšanas par buferšķīdumu darbību, nepieciešamajām sastāvdaļām un konkrētajām darbībām.
Buferšķīdumu izpratne
Buferšķīdums sastāv no konjugēta skābju-bāzu pāra, kas var absorbēt šķīdumam pievienotos H⁺ vai OH⁻ jonus, tādējādi novēršot krasas pH izmaiņas. Ir divi galvenie buferšķīdumu veidi:
1. Skābes buferšķīdums: Izgatavots no vājas skābes un tās sāls (kas satur tās konjugēto bāzi). Piemērs ir etiķskābes (CH₃COOH) un nātrija acetāta (CH₃COONa) maisījums.
2. Bāzes buferšķīdums: Izgatavots no vājas bāzes un tās sāls (kas satur tās konjugēto skābi). Piemērs ir amonjaka (NH₃) un amonija hlorīda (NH₄Cl) maisījums.
pH jēdziens un Hofstadteraves lineārais bufervienādojums
Buferšķīduma pH vērtību var aprēķināt, izmantojot Hendersona-Haselbalha vienādojumu:
\[ \text{pH} = \text{pK}_a + \log \left( \frac{[\text{Konjugētā bāze}]}{[\text{Skābe]} }\right) \]
di mana:
– \(\text{pH}\) ir šķīduma skābuma pakāpe.
– \(\text{pK}_a\) ir izmantotās skābes disociācijas konstante.
– \([\text{Konjugētā bāze}]\) ir konjugētās bāzes koncentrācija.
– \([\text{Acid}]\) ir skābes koncentrācija.
Buferšķīduma pagatavošanai nepieciešamās sastāvdaļas
1. Vāja skābe/vāja bāze: Izvēlieties vāju skābi vai bāzi, kuras \(\text{pK}_a\) ir tuvu vēlamajam pH.
2. Konjugētā skābe/bāzes sāls: Izvēlieties atbilstošu konjugēto skābi vai bāzes sāli, lai izveidotu bufersistēmu.
3. Standarta šķīdums: Standarta šķīdums var palīdzēt bufera mazgāšanā vai pH stabilizācijā.
Buferšķīduma pagatavošanas soļi
1. Nosakiet vēlamo pH līmeni
Nosakiet vēlamo bufera pH. Piemēram, ja nepieciešams buferis ar pH 7,0, varat izmantot vājas skābes un tās konjugētās bāzes sistēmu, kuras pK ir tuvs šai vērtībai.
2. Izvēlieties pareizo buferu sistēmu
Izvēlieties izmantojamo skābju-bāzu pāri. Piemēram, acetāta buferšķīdumam tiek izmantota etiķskābe (\(\text{pK}_a = 4.76\)) un nātrija acetāts, savukārt amonjaka buferšķīdumam tiek izmantots amonjaks (\(\text{pK}_b\) NH₃ ir 4.75) un amonija hlorīds.
3. Aprēķiniet konjugētās skābes un bāzes proporciju
Izmantojiet Hendersona-Haselbalha vienādojumu, lai aprēķinātu nepieciešamo skābes un konjugētās bāzes attiecību. Piemēram, lai pagatavotu buferšķīdumu ar pH 7, izmantojot fosforskābi (\(\text{pK}_a2 = 7.2\)), vienādojums kļūst par:
\[7.0 = 7.2 + \log \left( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \right) \]
Tātad,
\[ \log \left( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \right) = 7.0 – 7.2 \]
\[ \log \left( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \right) = -0.2 \]
\[ \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} = 10^{-0.2} \aptuveni 0.63 \]
Tātad, uz katru skābes (H_2PO_4^-) molu nepieciešami 0.63 moli konjugētās bāzes (HPO_4^2-).
4. Sagatavojiet konjugāta skābes un bāzes šķīdumu
Sagatavojiet konjugētās skābes un bāzes standarta šķīdumus zināmās koncentrācijās. Piemēram, ja gatavojat 1 l buferšķīduma, jums būs nepieciešami skābes un bāzes šķīdumi, kas aprēķināti, pamatojoties uz iepriekšējo soli.
5. Sajauciet šķīdumu
Sajauciet skābes un konjugētās bāzes šķīdumus aprēķinātajās proporcijās. Lai nodrošinātu pareizu pH līmeni, rūpīgi samaisiet maisījumu un pārbaudiet pH līmeni, izmantojot kalibrētu pH metru.
6. Pielāgojiet pH līmeni, ja nepieciešams
Ja buferšķīduma pH neatbilst vēlamajam, to var pielāgot, pievienojot nelielu daudzumu stipras skābes (piemēram, HCl) vai stipras bāzes (piemēram, NaOH), līdz tiek sasniegts vēlamais pH līmenis. Tomēr jāuzmanās, lai nesabojātu bufersistēmu, pievienojot pārāk daudz skābes vai bāzes.
7. Dalībnieku garantija
Kad pH ir pareizs, pievienojiet dejonizētu ūdeni līdz vajadzīgajam tilpumam, piemēram, 1 litram, ja gatavojat 1 l buferšķīdumu.
Buferšķīduma pagatavošanas praktisks piemērs
1. piemērs: fosfātu buferšķīdums (pH 7,0)
Lai pagatavotu 1 litru fosfātu buferšķīduma ar pH 7,0:
– Nepieciešamie materiāli:
– 0,1 M Na₂HPO₄ (nātrija hidrogēnfosfāts)
– 0,1 M NaH₂PO₄ (nātrija dihidrogēnfosfāts)
– Soļi:
1. Aprēķiniet attiecību, izmantojot Hendersona-Haselbalha vienādojumu, kā norādīts iepriekš.
2. Sajauc 0,63 molus (63 ml) Na₂HPO₄ ar 1 molu (100 ml) NaH₂PO₄.
3. Pēc sajaukšanas pārbaudiet pH līmeni un, ja nepieciešams, pielāgojiet.
4. Pievienojiet ūdeni, līdz tas sasniedz 1 litra tilpumu.
2. piemērs: acetāta buferšķīdums (pH 4.76)
Lai pagatavotu 500 ml acetāta buferšķīduma ar pH 4.76:
– Nepieciešamie materiāli:
– 0.1 M etiķskābe (CH₃COOH)
– 0.1 M nātrija acetāts (CH₃COONa)
– Soļi:
1. Sajauc 0.5 molus etiķskābes ar 0.5 moliem nātrija acetāta.
2. Pārbaudiet pH līmeni un, ja nepieciešams, pielāgojiet.
3. Pievienojiet ūdeni, līdz tilpums sasniedz 500 ml.
Secinājums
Buferšķīdumu pagatavošanai nepieciešamas pamatzināšanas par skābju-bāzu ķīmiju un spēja veikt aprēķinus, izmantojot Hendersona-Haselbalha vienādojumu. Veicot sistemātiskas darbības, jūs varat izveidot buferšķīdumus, kas uzturēs stabilu pH līmeni dažādos eksperimentālos apstākļos. Atkārtoti praktizējoties, jūs kļūsiet prasmīgāki buferšķīdumu pagatavošanā, kas pielāgoti jūsu īpašajām vajadzībām.
