14.7: Vikwazo

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza muundo na kazi ya buffers asidi-msingi
• Tumia pH ya buffer kabla na baada ya kuongeza asidi iliyoongezwa au msingi

Suluhisho lenye kiasi cha thamani cha jozi dhaifu ya asidi-msingi inaitwa suluhisho la buffer, au buffer. Ufumbuzi wa Buffer hupinga mabadiliko katika pH wakati kiasi kidogo cha asidi kali au msingi wa nguvu huongezwa (Kielelezo 14.14). Suluhisho la asidi ya asidi na acetate ya sodiamu (CH _{3 COOH + CH 3} CoONA) ni mfano wa buffer iliyo na asidi dhaifu na chumvi yake. Mfano wa buffer ambayo ina msingi dhaifu na chumvi yake ni suluhisho la amonia na kloridi ya amonia (NH ₃ (aq) + NH ₄ Cl (aq)).

Kielelezo 14.14 (a) Suluhisho la unbuffered upande wa kushoto na ufumbuzi wa buffered upande wa kulia una pH sawa (pH 8); wao ni msingi, kuonyesha rangi ya njano ya kiashiria cha methyl machungwa katika pH hii. (b) Baada ya kuongeza 1 ml ya ufumbuzi wa 0.01- M HCl, ufumbuzi wa buffered haujabadilika pH yake, lakini ufumbuzi unbuffered imekuwa tindikali, kama unahitajika kwa mabadiliko ya rangi ya machungwa methyl, ambayo hugeuka nyekundu katika pH ya karibu 4. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mark Ott)

Jinsi Buffers Kazi

Ili kuonyesha kazi ya suluhisho la buffer, fikiria mchanganyiko wa kiasi sawa cha asidi ya asidi na acetate ya sodiamu. Uwepo wa jozi dhaifu ya asidi-msingi katika suluhisho hutoa uwezo wa kupunguza kiasi cha kawaida cha asidi kali au msingi. Kwa mfano, msingi imara aliongeza kwa ufumbuzi huu neutralize hidronium ion, na kusababisha asidi asetiki ionization usawa kuhama kwa haki na kuzalisha kiasi cha ziada ya msingi dhaifu conjugate (acetate ion):

$${\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}(aq)$$

Vivyo hivyo, asidi kali aliongeza kwa ufumbuzi huu buffer kuhama juu ionization usawa kushoto, kuzalisha kiasi cha ziada ya asidi dhaifu conjugate (asidi asetiki). Kielelezo 14.15 hutoa mfano graphical ya mabadiliko katika mkusanyiko conjugate-mpenzi kwamba kutokea katika ufumbuzi huu buffer wakati asidi kali na msingi ni aliongeza. Hatua ya kupumua ya suluhisho kimsingi ni matokeo ya asidi iliyoongezwa yenye nguvu na msingi inayobadilishwa kuwa asidi dhaifu na msingi ambayo hufanya jozi ya conjugate ya buffer. Asidi dhaifu na msingi hupata ionization kidogo tu, ikilinganishwa na ionization kamili ya asidi kali na msingi, na ufumbuzi wa pH, kwa hiyo, hubadilika kwa kiasi kikubwa kuliko ingekuwa suluhisho lisilosababishwa.

Kielelezo 14.15 Buffering hatua katika mchanganyiko wa asidi asetiki na chumvi acetate.

Mfano 14.20

Mabadiliko ya pH katika Ufumbuzi wa Buffered na Unbuffered

Vikwazo vya Acetate hutumiwa katika masomo ya biochemical ya enzymes na vipengele vingine vya kemikali vya seli ili kuzuia mabadiliko ya pH ambayo yanaweza kuathiri shughuli za biochemical ya misombo hii.

(a) Tumia pH ya buffer ya acetate ambayo ni mchanganyiko na asidi 0.10 M asidi na 0.10 M acetate ya sodiamu.

(b) Kuhesabu pH baada 1.0 ml ya 0.10 NaOH ni aliongeza kwa 100 ml ya buffer hii.

(c) Kwa kulinganisha, mahesabu ya pH baada ya 1.0 ml ya 0.10 M NaOH imeongezwa kwa 100 ml ya suluhisho la suluhisho la unbuffered na pH ya 4.74.

Suluhisho

(a) Kufuatia njia ya ICE kwa hesabu hii ya usawa hutoa yafuatayo:

_{Kubadilisha maneno ya mkusanyiko wa usawa katika K kujieleza, kuchukua x <<<0.10, na kutatua equation kilichorahisishwa kwa mavuno x}

$$x=1.8\times {10}^{-5}M$$

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=0+x=1.8\times {10}^{-5}M$$

$$\text{pH}=\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=\text{-logi}(1.8\times {10}^{-5})$$

$$=4.74$$

(b) Kuhesabu pH baada 1.0 ml ya 0.10 M NaOH ni aliongeza kwa 100 ml ya buffer hii.

Kuongeza msingi wenye nguvu utapunguza baadhi ya asidi ya asidi, ikitoa ioni ya acetate ya msingi ya conjugate. Kokokotoa viwango vipya vya vipengele hivi viwili vya bafa, kisha kurudia hesabu ya usawa wa sehemu (a) kwa kutumia viwango hivi vipya.

$$0.0010\sout{\text{L}}\times \left(\frac{0.10\text{mol NaOH}}{1\sout{\text{L}}}\right)=1.0\times {10}^{-4}\text{mol NaOH}$$

Kiasi cha awali cha molar cha asidi ya asidi ni

$$0.100\sout{\text{L}}\times \left(\frac{0.100\text{mol}{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}}{1\sout{\text{L}}}\right)=1.00\times {10}^{-2}\text{mol}{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}$$

Kiasi cha asidi ya asidi iliyobaki baada ya baadhi kufutwa na msingi ulioongezwa ni

$$(1.0\times {10}^{-2})-(0.01\times {10}^{-2})=0.99\times {10}^{-2}\text{mol}{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}$$

Ioni mpya ya acetate, pamoja na acetate ya awali ya sasa, inatoa mkusanyiko wa mwisho wa acetate

$$(1.0\times {10}^{-2})+(0.01\times {10}^{-2})=1.01\times {10}^{-2}\text{mol}{\text{Nach}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2$$

Compute viwango molar kwa sehemu mbili buffer:

$$[{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}]=\frac{9.9\times {10}^{\mathrm{1-3}}\text{mol}}{0.101\text{L}}=0.098M$$

$$[{\text{Nach}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2]=\frac{1.01\times {10}^{-2}\text{mol}}{0.101\text{L}}=0.100M$$

Kutumia viwango hivi, pH ya suluhisho inaweza kuhesabiwa kama sehemu (a) hapo juu, ikitoa pH = 4.75 (tofauti kidogo tu na ile kabla ya kuongeza msingi imara).

(c) Kwa kulinganisha, mahesabu ya pH baada ya 1.0 ml ya 0.10 M NaOH imeongezwa kwa 100 ml ya suluhisho la suluhisho la unbuffered na pH ya 4.74.

Kiasi cha ioni ya hydronium awali iliyopo katika suluhisho ni

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]={10}^{-4.74}=1.8\times {10}^{-5}M$$

$$\text{mol}{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}=(0.100L)(1.8\times {10}^{-5}M)=1.8\times {10}^{-6}\text{mol}{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$$

Kiasi cha ioni ya hidroksidi aliongeza kwa suluhisho ni

$$\text{mol}{\text{OH}}^{-}=(0.0010L)(0.10M)=1.0\times {10}^{-4}\text{mol}{\text{OH}}^{-}$$

Hidroksidi iliyoongezwa itapunguza ioni ya hidroniamu kupitia majibu

$${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}(aq)+{\text{OH}}^{-}(aq)\leftrightharpoons 2{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

Stoichiometry ya 1:1 ya mmenyuko huu inaonyesha kuwa ziada ya hidroksidi imeongezwa (kiasi kikubwa cha molar kuliko ioni ya awali ya hidroniamu ya sasa).

Kiasi cha ioni ya hidroksidi iliyobaki ni

$$1.0\times {10}^{-4}\text{mol}-1.8\times {10}^{-6}\text{mol}=9.8\times {10}^{-5}\text{mol}{\text{OH}}^{-}$$

sambamba na molarity hidroksidi ya

$$9.8\times {10}^{-5}\text{mol}{\text{OH}}^{-}\text{/}0.101L=9.7\times {10}^{-4}M$$

PH ya suluhisho ni kisha mahesabu kuwa

$$\text{pH}=14.00-\text{oH}=14.00--\text{kigogo}(9.7\times {10}^{-4})=10.99$$

Katika ufumbuzi huu unbuffered, kuongeza matokeo ya msingi katika ongezeko kubwa la pH (kutoka 4.74 hadi 10.99) ikilinganishwa na ongezeko kidogo sana aliona kwa ufumbuzi wa buffer katika sehemu (b) (kutoka 4.74 hadi 4.75).

Angalia Kujifunza Yako

Onyesha kuwa kuongeza 1.0 ml ya 0.10 M HCl hubadilisha pH ya 100 ml ya 1.8$\times$Ufumbuzi wa 10 ^-5 M HCl kutoka 4.74 hadi 3.00.

Jibu:

PH ya awali ya 1.8$\times$10 ^-5 M HCl; pH = -logi [H ₃ O ⁺] = -logi [1.8$\times$10 ^-5] = 4.74
Moles ya H ₃ O ⁺ katika 100 ml 1.8$\times$10 ^-5 M HCl; 1.8$\times$10 ^-5 moles/L$\times$0.100 L = 1.8$\times$10 ^-6
Moles ya H ₃ O ⁺ aliongeza kwa kuongeza 1.0 ml ya 0.10 M HCl: 0.10 moles/L$\times$0.0010 L = 1.0$\times$10 ^-4 moles; pH ya mwisho baada ya kuongeza 1.0 ml ya 0.10 M HCl:

$$\text{pH}=\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=\text{-logi}\left(\frac{\text{jumla ya moles}{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}}{\text{jumla ya kiasi}}\right)=\text{-logi}\left(\frac{1.0\times {10}^{-4}\text{mol}+1.8\times {10}^{-6}\text{mol}}{101\text{mL}\left(\frac{1\text{L}}{1000\text{mL}}\right)}\right)=3.00$$

Buffer Uwezo

Ufumbuzi wa Buffer hauna uwezo usio na ukomo wa kuweka pH mara kwa mara (Kielelezo 14.16). Badala yake, uwezo wa suluhisho la buffer kupinga mabadiliko katika pH hutegemea kuwepo kwa kiasi cha thamani cha jozi yake dhaifu ya asidi-msingi. Wakati asidi ya kutosha au msingi huongezwa kwa kiasi kikubwa kupunguza mkusanyiko wa mwanachama wa jozi ya buffer, hatua ya kuzuia ndani ya suluhisho imeathirika.

Kielelezo 14.16 rangi ya kiashiria (methyl machungwa) inaonyesha kwamba kiasi kidogo cha asidi aliongeza kwa ufumbuzi buffered ya pH 8 (beaker upande wa kushoto) ina athari kidogo juu ya mfumo buffered (katikati beaker). Hata hivyo, kiasi kikubwa cha asidi kinachozidi uwezo wa ufumbuzi wa suluhisho na pH hubadilika sana (beaker upande wa kulia). (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mark Ott)

Uwezo wa buffer ni kiasi cha asidi au msingi ambayo inaweza kuongezwa kwa kiasi fulani cha suluhisho la buffer kabla ya mabadiliko ya pH kwa kiasi kikubwa, kwa kawaida kwa kitengo kimoja. Uwezo wa buffer unategemea kiasi cha asidi dhaifu na msingi wake wa conjugate ambao ni katika mchanganyiko wa buffer. Kwa mfano, 1 L ya suluhisho yaani 1.0 M katika asidi asetiki na 1.0 M katika acetate ya sodiamu ina uwezo mkubwa wa buffer kuliko 1 L ya suluhisho ambayo ni 0.10 M katika asidi asetiki na 0.10 M katika acetate ya sodiamu ingawa ufumbuzi wote wana pH sawa. Suluhisho la kwanza lina uwezo zaidi wa buffer kwa sababu ina asidi zaidi ya asidi na ioni ya acetate.

Uchaguzi wa Mchanganyiko wa Buffer inayofaa

Kuna sheria mbili muhimu za kidole kwa kuchagua mchanganyiko wa buffer:

1. Mchanganyiko mzuri wa buffer unapaswa kuwa na viwango sawa vya vipengele vyake vyote. Suluhisho la buffer kwa ujumla limepoteza manufaa yake wakati sehemu moja ya jozi ya buffer ni chini ya 10% ya nyingine. Kielelezo 14.17 inaonyesha jinsi pH mabadiliko kwa asetiki asidi-acetate ion buffer kama msingi ni aliongeza. PH ya awali ni 4.74. Mabadiliko ya kitengo cha pH 1 hutokea wakati ukolezi wa asidi ya asidi umepungua hadi 11% ya mkusanyiko wa ioni ya acetate.
   

   

   Kielelezo 14.17 Mabadiliko katika pH kama kiasi cha ongezeko la ufumbuzi wa 0.10- M NaOH huongezwa kwa 100 ml ya suluhisho la buffer ambalo, awali, [CH ₃ CO ₂ H] = 0.10 M na$[{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}]=0.10M.$Kumbuka kupungua sana buffering hatua zinazotokea baada ya uwezo buffer imekuwa kufikiwa, kusababisha kuongezeka kuporomoka katika pH juu ya kuongeza msingi nguvu zaidi.
2. Asidi dhaifu na chumvi zao ni bora kama buffers kwa pH chini ya 7; besi dhaifu na chumvi zao ni bora kama buffers kwa PHs kubwa kuliko 7.

Damu ni mfano muhimu wa ufumbuzi buffered, na asidi kuu na ion kuwajibika kwa ajili ya hatua buffering kuwa asidi kaboni, H ₂ CO ₃, na ion bicarbonate,${\text{HCO}}_3{}^{\text{-}}.$Wakati ioni ya hydronium inaletwa kwenye mkondo wa damu, huondolewa hasa na majibu:

$${\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{HCO}}_3{}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

Ioni ya hidroksidi iliyoongezwa imeondolewa na mmenyuko:

$${\text{OH}}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3(aq)⟶{\text{HCO}}_3{}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

Aliongeza asidi kali au msingi ni hivyo ufanisi kubadilishwa kwa asidi kiasi dhaifu au msingi wa jozi buffer (H ₃ O ⁺ inabadilishwa kuwa H ₂ CO ₃ na OH ^- inabadilishwa kuwa HCO ₃ ^-). PH ya damu ya binadamu inabakia karibu sana na thamani iliyowekwa na jozi za buffer pkA, katika kesi hii, 7.35. Tofauti za kawaida katika pH ya damu huwa chini ya 0.1, na mabadiliko ya pH ya 0.4 au zaidi yanawezekana kuwa mbaya.

Mlinganyo wa Henderson-Hasselbalch

Maneno ya mara kwa mara ya ionization kwa suluhisho la asidi dhaifu yanaweza kuandikwa kama:

$$K_{\text{a}}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]\left[{\text{A}}^{\text{-}}\right]}{\text{[HA]}}$$

Kuandaa upya kutatua kwa [H ₃ O ⁺] mavuno:

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=K_{\text{a}}\times \frac{\text{[HA]}}{[{\text{A}}^{\text{-}}]}$$

Kuchukua logarithm hasi ya pande zote mbili za equation hii inatoa

$$\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=\text{-logi}{K}_{\text{a}}\text{- logi}\frac{\left[\text{HA}\right]}{\left[{\text{A}}^{\text{-}}\right]},$$

ambayo inaweza kuandikwa kama

$$\text{pH}=\text{p}{K}_{\text{a}}+\text{kigogo}\frac{\left[{\text{A}}^{\text{-}}\right]}{\left[\text{HA}\right]}$$

ambapo p K _a ni hasi ya logarithm ya mara kwa mara ionization ya asidi dhaifu (p K _a = -logi K _a). Equation hii inahusiana pH, mara kwa mara ionization ya asidi dhaifu, na viwango vya jozi dhaifu ya asidi ya msingi ya conjugate katika suluhisho la buffered. Wanasayansi mara nyingi hutumia maneno haya, inayoitwa equation ya Henderson-Hasselbalch, kuhesabu pH ya ufumbuzi wa buffer. Ni muhimu kutambua kwamba dhana ya “x ni ndogo” lazima iwe halali kutumia equation hii.

Picha ya Kemia

Lawrence Joseph Henderson na Karl Albert H

Lawrence Joseph Henderson (1878—1942) alikuwa daktari wa Marekani, mwanabiokemia na mwanafiziolojia, kwa jina chache tu kati ya shughuli zake nyingi. Alipata shahada ya matibabu kutoka Harvard na kisha alitumia miaka 2 kusoma huko Strasbourg, halafu sehemu ya Ujerumani, kabla ya kurudi kuchukua nafasi ya mhadhiri huko Harvard. Hatimaye akawa profesa huko Harvard na kufanya kazi huko maisha yake yote. Aligundua kuwa usawa wa asidi-msingi katika damu ya binadamu umewekwa na mfumo wa buffer uliofanywa na dioksidi kaboni iliyoharibiwa katika damu. Aliandika equation mwaka 1908 kuelezea mfumo wa buffer ya asidi kaboniki katika damu. Henderson alikuwa na maarifa mapana; pamoja na utafiti wake muhimu juu ya fiziolojia ya damu, pia aliandika juu ya marekebisho ya viumbe na fit yao na mazingira yao, juu ya sosholojia na juu ya elimu ya chuo kikuu. Pia alianzisha Maabara ya Uchovu, katika Shule ya Biashara ya Harvard, ambayo ilichunguza fiziolojia ya binadamu kwa lengo maalumu juu ya kazi katika sekta, mazoezi, na lishe.

Mwaka 1916, Karl Albert Hasselbalch (1874—1962), daktari na mwanakemia wa Denmark, alishiriki uandishi katika karatasi na Christian Bohr mwaka 1904 iliyoelezea athari ya Bohr, ambayo ilionyesha kuwa uwezo wa hemoglobini katika damu kumfunga na oksijeni ulihusishwa kinyume na asidi ya damu na mkusanyiko wa dioksidi kaboni. Kiwango cha pH kilianzishwa mwaka 1909 na Dane mwingine, Sørensen, na mwaka 1912, Hasselbalch alichapisha vipimo vya pH ya damu. Mwaka 1916, Hasselbalch alionyesha usawa wa Henderson kwa maneno ya logarithmic, kulingana na kiwango cha logarithmic cha pH, na hivyo equation ya Henderson-Hasselbalch ilizaliwa.

Jinsi Sayansi Interconnect

Dawa: Mfumo wa Buffer katika Damu

PH ya kawaida ya damu ya binadamu ni kuhusu 7.4. Mfumo wa buffer ya carbonate katika damu hutumia majibu yafuatayo ya usawa:

$${\text{USHIRIKIANO}}_2(g)+2{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3(aq)\rightleftharpoons {\text{HCO}}_3{}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)$$

Mkusanyiko wa asidi ya kaboni, H ₂ CO ₃ ni takriban 0.0012 M, na mkusanyiko wa ioni ya carbonate ya hidrojeni,${\text{HCO}}_3{}^{\text{-}},$ni karibu 0.024 M. Kutumia equation ya Henderson-Hasselbalch na p K _a ya asidi kaboniki kwenye joto la mwili, tunaweza kuhesabu pH ya damu:

$$\text{pH}=\text{p}{K}_{\text{a}}+\text{kigogo}\frac{\left[\text{msingi}\right]}{\left[\text{asidi}\right]}=6.4+\text{kigogo}\frac{0.024}{0.0012}=7.7$$

Ukweli kwamba ukolezi wa H ₂ CO ₃ ni wa chini sana kuliko ule wa${\text{HCO}}_3{}^{\text{-}}$ion inaweza kuonekana isiyo ya kawaida, lakini usawa huu ni kutokana na ukweli kwamba wengi wa bidhaa za kimetaboliki yetu ambazo huingia kwenye damu yetu ni tindikali. Kwa hiyo, kuna lazima iwe na sehemu kubwa ya msingi kuliko asidi, ili uwezo wa buffer hautazidi.

Asidi ya Lactic huzalishwa katika misuli yetu wakati tunapofanya mazoezi. Kama asidi lactic inaingia katika damu, ni neutralized na${\text{HCO}}_3{}^{\text{-}}$chuma, kuzalisha H ₂ CO ₃. Enzyme kisha huharakisha kuvunjika kwa asidi ya kaboni ya ziada kwa dioksidi kaboni na maji, ambayo inaweza kuondolewa kwa kupumua. Kwa kweli, pamoja na madhara ya udhibiti wa mfumo wa buffering ya carbonate kwenye pH ya damu, mwili hutumia kupumua kudhibiti pH ya damu. Ikiwa pH ya damu itapungua sana, ongezeko la kupumua huondoa CO ₂ kutoka damu kupitia mapafu inayoendesha mmenyuko wa usawa kama vile [H ₃ O ⁺] inapungua. Ikiwa damu ni alkali mno, kiwango cha chini cha pumzi huongeza mkusanyiko wa CO ₂ katika damu, kuendesha gari mmenyuko wa usawa kwa njia nyingine, kuongeza [H ⁺] na kurejesha pH inayofaa.

Unganisha na Kujifunza

Tazama taarifa juu ya mfumo wa buffer walikutana katika maji ya asili.