Hur man gör en buffertlösning
Pendahuluan
En buffertlösning är en kemisk lösning som bibehåller ett relativt konstant pH-värde även när små mängder syra eller bas tillsätts. Buffertlösningar är viktiga inom en mängd olika områden, inklusive biokemi, farmaci och forskningslaboratorier. Den här artikeln kommer att behandla hur man gör en buffertlösning, inklusive en grundläggande förståelse för hur buffertlösningar fungerar, de komponenter som behövs och de specifika stegen som är involverade.
Förstå buffertlösningar
En buffertlösning består av ett konjugerat syra-baspar som kan absorbera H⁺- eller OH⁻-joner som tillsätts lösningen, och därigenom förhindra drastiska förändringar i pH. Det finns två huvudtyper av buffertlösningar:
1. Syrabuffert: Tillverkad av en svag syra och dess salt (som innehåller dess konjugerade bas). Ett exempel är en blandning av ättiksyra (CH₃COOH) och natriumacetat (CH₃COONa).
2. Basbuffert: Tillverkad av en svag bas och dess salt (som innehåller dess konjugerade syra). Ett exempel är en blandning av ammoniak (NH₃) och ammoniumklorid (NH₄Cl).
pH-begreppet och Hofstadterawes linjära buffertformel
pH-värdet för en buffertlösning kan beräknas med hjälp av Henderson-Hasselbalch-ekvationen:
[pH = pK + log([Konjugerad bas]}{[Syra)]
Där:
– \(\text{pH}\) är lösningens surhetsgrad.
– \(\text{pK}_a\) är syradissociationskonstanten för den använda syran.
– \([\text{Konjugatbas}]\) är koncentrationen av den konjugerade basen.
– \([\text{Syra}]\) är syrakoncentrationen.
Komponenter som behövs för att göra en buffertlösning
1. Svag syra/svag bas: Välj en svag syra eller bas som har ett \(\text{pK}_a\) nära önskat pH.
2. Konjugatsyra/bassalt: Välj lämplig konjugatsyra eller bassalt för att skapa buffertsystemet.
3. Standardlösning: En standardlösning kan hjälpa till att tvätta eller stabilisera buffertens pH-värde.
Steg för att göra en buffertlösning
1. Bestäm önskat pH-värde
Bestäm önskat pH-värde för bufferten. Om du till exempel behöver en buffert med ett pH på 7,0 kan du använda ett system av en svag syra och dess konjugerade bas som har ett pK-värde nära detta värde.
2. Välj rätt buffertsystem
Välj det syra-baspar som ska användas. Till exempel används ättiksyra (\(\text{pK}_a = 4.76\)) och natriumacetat för acetatbufferten, medan ammoniak (\(\text{pK}_b\) för NH₃ är 4.75) och ammoniumklorid används för ammoniakbufferten.
3. Beräkna andelen konjugerad syra och bas
Använd Henderson-Hasselbalchs ekvation för att beräkna det erforderliga förhållandet mellan syra och konjugerad bas. För att till exempel skapa en buffert med pH 7 med fosforsyra (\(\text{pK}_a2 = 7.2\)) blir ekvationen:
[7.0 = 7.2 + log([HPO₄⁻²]}{[H₂PO₄⁻²])]
Så,
[ \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 \]
Så behöver du 0.63 mol av den konjugerade basen (HPO_4^2-) för varje mol av syran (H_2PO_4^-).
4. Bered en konjugerad syra- och baslösning
Bered stamlösningar av konjugatsyran och basen i kända koncentrationer. Om du till exempel gör en 1 liters buffertlösning behöver du syra- och baslösningarna beräknade baserat på föregående steg.
5. Blanda lösningen
Blanda syra- och konjugatbaslösningarna i de beräknade proportionerna. För att säkerställa korrekt pH, rör om blandningen noggrant och testa pH-värdet med en kalibrerad pH-mätare.
6. Justera pH-värdet vid behov
Om pH-värdet i en buffertlösning inte är som önskat kan du justera det genom att tillsätta små mängder av en stark syra (t.ex. HCl) eller en stark bas (t.ex. NaOH) tills önskat pH-värde uppnås. Man måste dock vara försiktig så att buffertsystemet inte skadas genom att tillsätta för mycket syra eller bas.
7. Beståndsdelsgaranti
När pH-värdet är korrekt, tillsätt avjoniserat vatten till önskad volym, till exempel 1 liter om du förbereder en 1-liters buffert.
Praktiskt exempel på att tillverka buffertlösning
Exempel 1: Fosfatbuffert (pH 7,0)
För att göra 1 liter fosfatbuffertlösning med pH 7,0:
– Material som behövs:
– 0,1 M Na₂HPO₄ (natriumvätefosfat)
– 0,1 M NaH₂PO₄ (natriumdivätefosfat)
– Steg:
1. Beräkna förhållandet med hjälp av Henderson-Hasselbalch-ekvationen enligt stegen ovan.
2. Blanda 0,63 mol (63 ml) Na₂HPO₄ med 1 mol (100 ml) NaH₂PO₄.
3. Testa pH-värdet efter blandning och justera vid behov.
4. Tillsätt vatten tills det når en volym på 1 liter.
Exempel 2: Acetatbuffert (pH 4.76)
För att göra 500 ml acetatbuffertlösning med pH 4.76:
– Material som behövs:
– 0.1 M ättiksyra (CH₃COOH)
– 0.1 M natriumacetat (CH₃COONa)
– Steg:
1. Blanda 0.5 mol ättiksyra med 0.5 mol natriumacetat.
2. Testa pH-värdet och justera vid behov.
3. Tillsätt vatten tills det når en volym på 500 ml.
slutsats
Att framställa buffertlösningar kräver en grundläggande förståelse för syra-baskemi och förmågan att utföra beräkningar med hjälp av Henderson-Hasselbalch-ekvationen. Genom systematiska steg kan du skapa buffertlösningar som bibehåller ett stabilt pH-värde under en mängd olika experimentella förhållanden. Med upprepad övning kommer du att bli mer skicklig på att skapa buffertlösningar skräddarsydda efter dina specifika behov.
