Калкулатор за буферен капацитет | Безплатен инструмент за pH стабилност

Какво представлява буферният капацитет?

Буферният капацитет измерва доколко добре даден разтвор се противопоставя на промяна на pH, когато към него се добави киселина или основа. Този калкулатор намира буферния капацитет от концентрацията на слабата киселина, концентрацията на спрегнатата ѝ основа и pKa на киселината.

Буферът е разтвор, който поддържа pH почти постоянно дори когато в него се смесят малки количества киселина или основа. Той прави това чрез съвместното действие на слаба киселина и нейната спрегната основа. Слабата киселина е вещество, което се дисоциира само частично във вода и освобождава водородни йони. Спрегнатата основа е това, което остава от киселината, след като тя е освободила водороден йон. Буферният капацитет, често означаван с гръцката буква β (бета), показва числено колко силна е тази устойчивост. По-висока стойност на β означава, че разтворът може да поеме повече киселина или основа, преди pH да се промени.

Формула за буферния капацитет

Буферният капацитет на разтвор със слаба киселина и спрегнатата ѝ основа следва от определението на Ван Слайк за буферна стойност:

$\beta = 2.303 \times C \times \frac{K_a \times [H^+]}{([H^+] + K_a)^2}$

• β е буферният капацитет в mol/L·pH
• C е общата концентрация на киселината и основата, взети заедно, в mol/L
• Ka е константата на дисоциация на киселината — число, което показва доколко слабата киселина се дисоциира във вода
• [H⁺] е концентрацията на водородните йони в разтвора, в mol/L

Ka се свързва с pKa чрез Ka = 10⁻ᵖᴷᵃ. По-ниска стойност на pKa означава по-силна киселина.

Калкулаторът не изисква pH директно. Вместо това изчислява [H⁺] на разтвора от отношението между спрегнатата основа и слабата киселина, като използва уравнението на Хендерсън–Хаселбалх [H⁺] = Ka × (концентрация на киселината ÷ концентрация на основата). След това замества тази стойност на [H⁺] във формулата по-горе.

Когато концентрациите на киселината и основата са равни, [H⁺] е равно на Ka, така че pH е равно на pKa. Това е и pH при максимален буферен капацитет. Тогава формулата се опростява до:

$\beta_{max} = \frac{2.303 \times C}{4}$

Как се изчислява буферният капацитет

1. Съберете концентрацията на слабата киселина и концентрацията на спрегнатата основа, за да получите общата концентрация C.
2. Преобразувайте pKa в Ka чрез Ka = 10⁻ᵖᴷᵃ.
3. Намерете [H⁺] от отношението на двете концентрации: [H⁺] = Ka × (киселина ÷ основа).
4. Заместете C, Ka и [H⁺] във формулата за буферния капацитет.

Пример с изчисление

Да вземем буфер, приготвен от 0,1 mol/L слаба киселина и 0,1 mol/L спрегнатата ѝ основа, с pKa 4,76, pKa на ацетатен буфер при 25 °C. Това е вградената примерна стойност на калкулатора.

• Обща концентрация: C = 0,1 + 0,1 = 0,2 mol/L
• Ka = 10⁻⁴·⁷⁶
• Тъй като концентрациите на киселината и основата са равни, [H⁺] = Ka, следователно pH = pKa
• β = 2,303 × 0,2 ÷ 4 = 0,115150 mol/L·pH

Това означава, че на литър от този буфер могат да се добавят около 0,1152 mol силна киселина или основа, преди pH да се промени с цяла единица.

Втори пример

Трис буферът, често използван в молекулярната биология, има pKa около 8,1 (8,06 при 25 °C). При 0,05 mol/L от киселинната форма и 0,05 mol/L от основната форма (общо 0,1 mol/L) концентрациите са равни, така че pH отново е равно на pKa.

β = 2,303 × 0,1 ÷ 4 = 0,057575 mol/L·pH, приблизително 0,0576 mol/L·pH.

Буфер с по-ниска обща концентрация, при равни други условия, има по-нисък капацитет. Удвояването на общата концентрация удвоява буферния капацитет.

Какво влияе върху буферния капацитет

Обща концентрация. Буферният капацитет расте право пропорционално на общата концентрация. По-концентрираният буфер може да поеме повече киселина или основа, но внася и повече сол в разтвора.

Разлика между pH и pKa. Капацитетът е най-висок, когато pH е равно на pKa, и бързо намалява с отдалечаването от тази стойност. На около 2 единици pH от pKa капацитетът пада под една десета от максималния. Често срещано правило е, че буферът губи полезността си, когато единият компонент е по-малко от около 10% от другия. Според уравнението на Хендерсон–Хаселбалх това съотношение поставя pH на около една единица от pKa.

Температура. Стойностите на pKa се променят с температурата. pKa на Трис буфера намалява с около 0,028 единици на градус Целзий, така че буфер, приготвен при 25 °C, се държи различно при 37 °C.

Йонна сила. Високите концентрации на сол променят ефективната активност на йоните в разтвора, което може да направи реалния буферен капацитет различен от изчисления. Ефектът се засилва с увеличаването на концентрацията на сол.

Множество киселинни групи. Киселините с повече от един дисоцииращ се протон, като фосфорната киселина, имат няколко стойности на pKa и по-сложна крива на капацитета. Този калкулатор приема една двойка киселина–основа.

Обичайни приложения

Изчисленията на буферния капацитет се използват в няколко области:

• Биохимия. Ензимите често функционират само в тесен диапазон на pH, затова буферите трябва да се противопоставят на промени в pH, причинени от реакции, които отделят или поглъщат протони.
• Фармацевтична формулация. Инжекционните лекарства се нуждаят от достатъчно силен буфер, който да поддържа pH при съхранение, но не и от толкова концентриран буфер, че да причинява болка на мястото на инжектиране.
• Науки за околната среда. Почвата може да буферира киселинния дъжд, като неутрализира киселината във водата, която тече през нея. Езерата и потоците в райони с тънка почва, която не може да го прави, са по-уязвими.
• Клинична химия. pH на кръвта се поддържа близо до 7,4 отчасти от бикарбонатната буферна система, заедно с белите дробове и бъбреците.

Ограничения на този калкулатор

Формулата предполага идеален, разреден разтвор с една двойка киселина–основа. Реалните разтвори може да се различават от изчислението, особено при високи концентрации на сол. При буфери с няколко дисоциращи протона или при много концентрирани или много разредени разтвори директното измерване дава по-надежден резултат от самото изчисление.

Често задавани въпроси

Какво е буферен капацитет? Буферният капацитет показва колко mol силна киселина или основа на литър може да поеме един разтвор, преди pH да се промени с една единица. Мерната му единица е mol/L·pH.

При кое pH буферният капацитет е максимален? Буферният капацитет е най-висок, когато pH на разтвора е равно на pKa на слабата му киселина. Тогава киселината и спрегнатата основа присъстват в равни количества.

Едно и също ли са буферният капацитет и буферната сила? Не точно. Буферната сила обикновено се отнася до общата концентрация на киселината и основата в разтвора. Буферният капацитет зависи от тази концентрация и от близостта на pH до pKa.

Може ли буферният капацитет да бъде отрицателен? Не. Буферният капацитет винаги е положителен, тъй като представлява количеството киселина или основа, необходимо за промяна на pH, а не посоката на промяната.

Как да увелича капацитета на буфер, без да променям pH? Увеличете концентрациите на киселината и основата с един и същ множител, като запазите съотношението им. Така се увеличават общата концентрация и капацитетът, без да се променя pH.

Защо капацитетът намалява далеч от pKa? При отдалечаване от pKa едната форма на двойката киселина–основа става оскъдна. Когато от нея е останало малко, добавената киселина или основа има по-малко вещество, с което да реагира, затова pH се променя по-бързо при същото добавено количество.

Източници

1. Kim, D., Liao, J., & Hanrahan, J. W. The buffer capacity of airway epithelial secretions. Frontiers in Physiology (2014). Буферен капацитет на секретите на дихателните пътища — определението на Ван Слайк за буферна стойност и формулата за затворена система β = 2,3·C·[H⁺]·K/([H⁺] + K)², камбановидна крива с един пик.
2. Brooke, D., Movahed, N., & Bothner, B. Universal buffers for use in biochemistry and biophysical experiments. AIMS Biophysics (2015). Универсални буфери — таблица 1: pKa на ацетата 4,76; pKa на Трис 8,06 при 25 °C с dpKa/°C −0,028.
3. OpenStax. Chemistry 2e, 14.6 Buffers. Буфери — буферният капацитет расте с концентрацията; буферът губи полезността си, когато единият компонент е под около 10% от другия; pH на кръвта от около 7,4 се поддържа от карбонатната буферна система.
4. U.S. Environmental Protection Agency. Effects of Acid Rain. Последици от киселинния дъжд — почвата буферира киселинния дъжд, като го неутрализира; тънките почви не могат.