Jak zrobić roztwór buforowy
Pendahuluan
Roztwór buforowy to roztwór chemiczny, który utrzymuje względnie stałe pH nawet po dodaniu niewielkich ilości kwasu lub zasady. Roztwory buforowe są niezbędne w wielu dziedzinach, w tym w biochemii, farmacji i laboratoriach badawczych. W tym artykule omówiono sposób przygotowania roztworu buforowego, w tym podstawową wiedzę na temat działania roztworów buforowych, niezbędnych składników i poszczególnych etapów jego wytwarzania.
Zrozumienie roztworów buforowych
Roztwór buforowy składa się ze sprzężonej pary kwas-zasada, która może absorbować jony H⁺ lub OH⁻ dodane do roztworu, zapobiegając w ten sposób drastycznym zmianom pH. Istnieją dwa główne rodzaje roztworów buforowych:
1. Bufor kwasowy: Wykonany ze słabego kwasu i jego soli (zawierającej sprzężoną z nim zasadę). Przykładem jest mieszanina kwasu octowego (CH₃COOH) i octanu sodu (CH₃COONa).
2. Bufor zasadowy: Wykonany ze słabej zasady i jej soli (zawierającej sprzężony kwas). Przykładem jest mieszanina amoniaku (NH₃) i chlorku amonu (NH₄Cl).
Pojęcie pH i liniowe równanie buforowe Hofstadterawe
Wartość pH roztworu buforowego można obliczyć, korzystając z równania Hendersona-Hasselbalcha:
\[ \text{pH} = \text{pK}_a + \log \left( \frac{[\text{Sprzężona zasada}]}{[\text{Kwas]} }\right) \]
Gdzie:
– \(\text{pH}\) to stopień kwasowości roztworu.
– \(\text{pK}_a\) jest stałą dysocjacji użytego kwasu.
– \([\text{Zasada sprzężona}]\) jest stężeniem zasady sprzężonej.
– \([\text{Kwas}]\) to stężenie kwasu.
Składniki potrzebne do przygotowania roztworu buforowego
1. Słaby kwas/słaba zasada: Wybierz słaby kwas lub słabą zasadę, której pH jest bliskie pożądanemu.
2. Sprzężona sól kwasu/zasady: Wybierz odpowiednią sprzężoną sól kwasu lub zasady, aby utworzyć układ buforowy.
3. Roztwór standardowy: Roztwór standardowy może być pomocny w płukaniu lub stabilizacji pH buforu.
Kroki przygotowania roztworu buforowego
1. Określ pożądane pH
Określ pożądane pH buforu. Na przykład, jeśli potrzebujesz buforu o pH 7,0, możesz użyć układu słabego kwasu i sprzężonej z nim zasady, którego pKa jest bliskie tej wartości.
2. Wybierz odpowiedni system buforowy
Wybierz parę kwas-zasada, której chcesz użyć. Na przykład, kwas octowy (pK_a = 4.76) i octan sodu służą do buforu octanowego, a amoniak (pK_b dla NH₃ wynosi 4.75) i chlorek amonu służą do buforu amoniakalnego.
3. Oblicz stosunek sprzężonego kwasu i zasady
Użyj równania Hendersona-Hasselbalcha, aby obliczyć wymagany stosunek kwasu do sprzężonej zasady. Na przykład, aby przygotować bufor o pH 7 za pomocą kwasu fosforowego (pK_a 2 = 7.2), równanie wygląda następująco:
\[ 7.0 = 7.2 + \log \lewy( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \prawy) \]
Więc,
\[ \log \lewy( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \prawy) = 7.0 – 7.2 \]
\[ \log \lewy( \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} \prawy) = -0.2 \]
\[ \frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^{-}]} = 10^{-0.2} \około 0.63 \]
Zatem na każdy mol kwasu (H_2PO_4^-) potrzeba 0.63 mola sprzężonej zasady (HPO_4^2-).
4. Przygotuj sprzężony roztwór kwasu i zasady
Przygotuj roztwory wyjściowe sprzężonego kwasu i zasady o znanych stężeniach. Na przykład, jeśli przygotowujesz 1 l roztworu buforowego, będziesz potrzebować roztworów kwasu i zasady obliczonych na podstawie poprzedniego kroku.
5. Wymieszaj roztwór
Wymieszaj roztwory kwasu i sprzężonej zasady w obliczonych proporcjach. Aby zapewnić prawidłowe pH, dokładnie wymieszaj mieszaninę i sprawdź pH za pomocą skalibrowanego pehametru.
6. W razie potrzeby dostosuj pH
Jeśli pH roztworu buforowego nie jest pożądane, można je skorygować, dodając niewielkie ilości mocnego kwasu (np. HCl) lub mocnej zasady (np. NaOH), aż do osiągnięcia pożądanego pH. Należy jednak uważać, aby nie uszkodzić układu buforowego przez dodanie zbyt dużej ilości kwasu lub zasady.
7. Zapewnienie konstytucji
Gdy pH będzie prawidłowe, należy dodać dejonizowanej wody do pożądanej objętości, na przykład 1 litra, jeśli przygotowujesz bufor o pojemności 1 litra.
Praktyczny przykład sporządzania roztworu buforowego
Przykład 1: Bufor fosforanowy (pH 7,0)
Aby przygotować 1 litr roztworu buforowego fosforanowego o pH 7,0:
– Potrzebne materiały:
– 0,1 M Na₂HPO₄ (wodorofosforan sodu)
– 0,1 M NaH₂PO₄ (dwuwodorofosforan sodu)
– Kroki:
1. Oblicz współczynnik, korzystając z równania Hendersona-Hasselbalcha, jak w powyższych krokach.
2. Wymieszaj 0,63 mola (63 ml) Na₂HPO₄ z 1 molem (100 ml) NaH₂PO₄.
3. Po wymieszaniu sprawdź pH i w razie potrzeby dostosuj je.
4. Dolewaj wody, aż osiągnie objętość 1 litra.
Przykład 2: Bufor octanowy (pH 4.76)
Aby przygotować 500 ml roztworu buforowego octanowego o pH 4.76:
– Potrzebne materiały:
– 0.1 M kwasu octowego (CH₃COOH)
– 0.1 M octanu sodu (CH₃COONa)
– Kroki:
1. Zmieszaj 0.5 mola kwasu octowego z 0.5 mola octanu sodu.
2. Sprawdź pH i w razie potrzeby dostosuj je.
3. Dolewaj wodę, aż osiągnie objętość 500 ml.
Wniosek
Przygotowanie roztworów buforowych wymaga podstawowej wiedzy z chemii kwasowo-zasadowej oraz umiejętności wykonywania obliczeń z wykorzystaniem równania Hendersona-Hasselbalcha. Dzięki systematycznym krokom możesz tworzyć roztwory buforowe, które utrzymają stabilne pH w różnych warunkach eksperymentalnych. Dzięki systematycznej praktyce nabędziesz wprawy w tworzeniu roztworów buforowych dostosowanych do Twoich specyficznych potrzeb.
