Буферийн шийдлийг хэрхэн хийх вэ
Пендахулуан
Буфер уусмал гэдэг нь бага хэмжээний хүчил эсвэл шүлт нэмсэн ч харьцангуй тогтмол рН-ийг хадгалдаг химийн уусмал юм. Буфер уусмал нь биохими, эмийн сан, судалгааны лаборатори зэрэг олон салбарт зайлшгүй шаардлагатай байдаг. Энэ нийтлэлд буфер уусмал хэрхэн хийх, түүний дотор буфер уусмал хэрхэн ажилладаг, шаардлагатай бүрэлдэхүүн хэсгүүд болон холбогдох тодорхой алхмуудын талаарх үндсэн ойлголтыг авч үзэх болно.
Буферийн шийдлүүдийг ойлгох
Буфер уусмал нь уусмалд нэмэгдсэн H⁺ эсвэл OH⁻ ионуудыг шингээж, улмаар рН-ийн огцом өөрчлөлтөөс сэргийлж чаддаг хүчил-суурь хосын коньюгатаас бүрдэнэ. Буфер уусмалын хоёр үндсэн төрөл байдаг:
1. Хүчлийн буфер: Сул хүчил болон түүний давснаас (түүний коньюгат суурийг агуулсан) гаргаж авдаг. Жишээ нь цууны хүчил (CH₃COOH) болон натрийн ацетатын (CH₃COONa) холимог юм.
2. Суурийн буфер: Сул суурь болон түүний давснаас (түүний коньюгат хүчил агуулсан) бүрддэг. Жишээ нь аммиак (NH₃) ба аммонийн хлорид (NH₄Cl)-ийн холимог юм.
рН-ийн тухай ойлголт ба Хофштадтераве шугаман буферийн тэгшитгэл
Буферийн уусмалын рН-ийн утгыг Хендерсон-Хассельбалхын тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолж болно:
\[ \text{pH} = \text{pK}_a + \log \left( \frac{[\text{Conjugate Base}]}{[\text{Acid]} }\right) \]
ди мана:
– \(\text{pH}\) нь уусмалын хүчиллэг байдлын зэрэг юм.
– \(\text{pK}_a\) нь ашигласан хүчлийн хүчлийн диссоциацийн тогтмол юм.
– \([\text{Холбогдох суурь}]\) нь холбогдох суурийн концентраци юм.
– \([\text{Acid}]\) нь хүчлийн концентраци юм.
Буферийн уусмал хийхэд шаардлагатай бүрэлдэхүүн хэсгүүд
1. Сул хүчил/сул суурь: Хүссэн рН-тэй ойролцоо \(\text{pK}_a\)-тай сул хүчил эсвэл суурийг сонгоно уу.
2. Хүчил/Суурь давсны коньюгат: Буфер системийг үүсгэхийн тулд тохирох коньюгат хүчил эсвэл суурийн давсыг сонгоно уу.
3. Стандарт уусмал: Стандарт уусмал нь буферийн рН-ийг угаах эсвэл тогтворжуулахад тусалж чадна.
Буферийн шийдлийг бэлтгэх алхамууд
1. Хүссэн рН-ийг тодорхойлно уу
Буферийн хүссэн рН-ийг тодорхойлно уу. Жишээлбэл, хэрэв танд 7,0 рН-тэй буфер хэрэгтэй бол энэ утгатай ойролцоо pK a бүхий сул хүчил ба түүний коньюгат суурийн системийг ашиглаж болно.
2. Зөв буфер системийг сонгох
Хэрэглэх хүчил-суурь хосыг сонгоно уу. Жишээлбэл, ацетатын буферт цууны хүчил (\(\text{pK}_a = 4.76\)) болон натрийн ацетатыг ашигладаг бол аммиакийн буферт NH₃-ийн аммиак (\(\text{pK}_b\) нь 4.75) болон аммонийн хлоридийг ашигладаг.
3. Хүчил ба суурийн коньюгат харьцааг тооцоол
Хендерсон-Хассельбалхын тэгшитгэлийг ашиглан хүчил ба коньюгат суурийн шаардлагатай харьцааг тооцоол. Жишээлбэл, фосфорын хүчил (\(\text{pK}_a 2 = 7.2\)) ашиглан рН нь 7-той буфер үүсгэхийн тулд тэгшитгэл нь дараах хэлбэртэй болно:
\[ 7.0 = 7.2 + \log \left( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \right) \]
Тэгэхээр,
\[ \log \left( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \right) = 7.0 – 7.2 \]
\[ \log \left( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \right) = -0.2 \]
\[ \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} = 10^{-0.2} \approx 0.63 \]
Тэгэхээр, хүчил (H_2PO_4^-)-ийн нэг моль тутамд танд 0.63 моль коньюгат суур (HPO_4^2-) хэрэгтэй.
4. Хүчил ба суурийн коньюгат уусмал бэлтгэ
Коньюгат хүчил ба суурийн нөөц уусмалыг мэдэгдэж буй концентрацитайгаар бэлтгэнэ. Жишээлбэл, хэрэв та 1 литрийн буфер уусмал хийж байгаа бол өмнөх алхам дээр үндэслэн тооцоолсон хүчил ба суурийн уусмалууд хэрэгтэй болно.
5. Уусмалыг холино
Хүчил ба коньюгат суурийн уусмалыг тооцоолсон харьцаагаар холино. Зөв рН-ийг хангахын тулд хольцыг сайтар хутгаж, тохируулсан рН метр ашиглан рН-ийг шалгана уу.
6. Шаардлагатай бол рН-ийг тохируулна уу
Хэрэв буфер уусмалын рН нь хүссэн хэмжээнд хүрэхгүй бол хүссэн рН-д хүрэх хүртэл бага хэмжээний хүчтэй хүчил (жишээлбэл, HCl) эсвэл хүчтэй суурь (жишээлбэл, NaOH) нэмж тохируулж болно. Гэсэн хэдий ч хэт их хүчил эсвэл суурь нэмж буфер системийг гэмтээхгүй байхыг анхаарах хэрэгтэй.
7. Үндсэн хуулийн баталгаа
РН зөв болсны дараа хүссэн хэмжээндээ ионгүйжүүлсэн ус нэмнэ, жишээлбэл, хэрэв та 1 литрийн буфер бэлдэж байгаа бол 1 литр нэмнэ.
Буферийн шийдлийг гаргах практик жишээ
Жишээ 1: Фосфатын буфер (рН 7,0)
рН 7,0 бүхий 1 литр фосфатын буфер уусмал бэлтгэхийн тулд:
- Шаардлагатай материалууд:
– 0,1 M Na₂HPO₄ (натрийн устөрөгчийн фосфат)
– 0,1 M NaH₂PO₄ (натрийн дигидроген фосфат)
– Алхамууд:
1. Дээрх алхмуудын дагуу Хендерсон-Хассельбалхын тэгшитгэлийг ашиглан харьцааг тооцоол.
2. 0,63 моль (63 мл) Na₂HPO₄-г 1 моль (100 мл) NaH₂PO₄-тай холино.
3. Хольсны дараа рН-ийг шалгаж, шаардлагатай бол тохируулна уу.
4. 1 литрийн багтаамжтай болтол ус нэмнэ.
Жишээ 2: Ацетатын буфер (рН 4.76)
рН 4.76-тай 500 мл ацетатын буфер уусмал бэлтгэхийн тулд:
- Шаардлагатай материалууд:
– 0.1 М цууны хүчил (CH₃COOH)
– 0.1 М натрийн ацетат (CH₃COONa)
– Алхамууд:
1. 0.5 моль цууны хүчил ба 0.5 моль натрийн ацетатыг холино.
2. рН-ийг шалгаж, шаардлагатай бол тохируулна уу.
3. 500 мл хүртэл ус нэмнэ.
Дүгнэлт
Буфер уусмал бэлтгэхэд хүчил-суурь химийн үндсэн ойлголт, Хендерсон-Хассельбалхын тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолол хийх чадвар шаардагдана. Системчилсэн алхмуудын тусламжтайгаар та янз бүрийн туршилтын нөхцөлд тогтвортой рН-ийг хадгалах буфер уусмал үүсгэж болно. Давтан дадлага хийснээр та өөрийн хэрэгцээнд тохирсон буфер уусмал үүсгэхдээ илүү чадварлаг болно.
