Vypočítejte pH pufrových roztoků zadáním koncentrací kyseliny a konjugované báze. Používá Henderson-Hasselbalchovu rovnici pro přesné výsledky v chemických a biochemických aplikacích.
Kalkulátor pH pufru je nezbytný nástroj pro chemiky, biochemiky a studenty pracující s pufrovými roztoky. Tento kalkulátor aplikuje Henderson-Hasselbalchovu rovnici k určení pH pufrového roztoku na základě koncentrací slabé kyseliny a její konjugované báze. Pufrové roztoky jsou zásadní v laboratorních podmínkách, biologických systémech a průmyslových procesech, kde je nutné udržovat stabilní pH. Náš uživatelsky přívětivý kalkulátor zjednodušuje složité výpočty spojené s určením pH pufru, což umožňuje rychlé a přesné výsledky bez manuálního výpočtu.
Pufrový roztok je směs, která odolává změnám pH, když se přidávají malé množství kyseliny nebo báze. Obvykle se skládá ze slabé kyseliny a její konjugované báze (nebo slabé báze a její konjugované kyseliny) v významných koncentracích. Tato kombinace umožňuje roztoku neutralizovat malé přídavky kyselin nebo bází, čímž udržuje relativně stabilní pH.
Pufrové roztoky fungují na principu Le Chatelierova principu, který říká, že když je systém v rovnováze narušen, rovnováha se posune tak, aby proti narušení zakročila. V pufrových roztocích:
Účinnost pufrového roztoku závisí na:
Henderson-Hasselbalchova rovnice je matematickým základem pro výpočet pH pufrových roztoků. Spojuje pH pufru s pKa slabé kyseliny a poměrem koncentrací konjugované báze k kyselině:
Kde:
Tato rovnice je odvozena z rovnováhy disociace kyseliny:
Konstantu disociace kyseliny (Ka) lze definovat jako:
Záporným logaritmem obou stran a přeuspořádáním dostaneme:
Pro náš kalkulátor používáme hodnotu pKa 7.21, která odpovídá pufrovému systému fosfátu (H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻) při 25°C, jednomu z nejčastěji používaných pufrových systémů v biochemii a laboratorních podmínkách.
Kapacita pufru (β) kvantifikuje odolnost pufrového roztoku vůči změnám pH, když se přidávají kyseliny nebo báze. Je maximální, když pH je rovno pKa slabé kyseliny. Kapacitu pufru lze vypočítat pomocí:
Kde:
Pro praktický příklad zvažme náš fosfátový pufr s [HA] = 0.1 M a [A⁻] = 0.2 M:
Dosazením těchto hodnot: β = (2.303 × 0.3 × 6.17 × 10⁻⁸ × 3.09 × 10⁻⁸) ÷ (6.17 × 10⁻⁸ + 3.09 × 10⁻⁸)² = 0.069 mol/L/pH
To znamená, že přidání 0.069 molů silné kyseliny nebo báze na litr by změnilo pH o 1 jednotku.
Náš kalkulátor pH pufru je navržen pro jednoduchost a snadnost použití. Postupujte podle těchto kroků pro výpočet pH vašeho pufrového roztoku:
Kalkulátor zobrazí:
Pokud potřebujete provést další výpočet, můžete buď:
Pro přesné výsledky zajistěte, aby:
Kalkulátor zobrazí chybové zprávy, pokud:
Pojďme projít kompletním příkladem, abychom demonstrovali, jak funguje kalkulátor pH pufru:
Příklad: Vypočítejte pH fosfátového pufrového roztoku obsahujícího 0.1 M dihydrogenfosfátu (H₂PO₄⁻, kyselinová forma) a 0.2 M hydrogenfosfátu (HPO₄²⁻, konjugovaná báze).
Identifikujte komponenty:
Aplikujte Henderson-Hasselbalchovu rovnici:
Interpretujte výsledek:
Výpočty pH pufrů jsou nezbytné v mnoha vědeckých a průmyslových aplikacích:
Ačkoli je Henderson-Hasselbalchova rovnice nejčastěji používanou metodou pro výpočty pH pufrů, existují alternativní přístupy pro specifické situace:
Přímé měření pH: Použití kalibrovaného pH metru poskytuje nejpřesnější určení pH, zejména pro složité směsi.
Úplné rovnovážné výpočty: Pro velmi zředěné roztoky nebo když jsou zapojeny více rovnováh, může být nutné vyřešit kompletní sadu rovnovážných rovnic.
Numerické metody: Počítačové programy, které zohledňují aktivity a více rovnováh, mohou poskytnout přesnější výsledky pro neideální roztoky.
Empirické přístupy: V některých průmyslových aplikacích mohou být místo teoretických výpočtů použity empirické vzorce odvozené z experimentálních dat.
Výpočty kapacity pufru: Pro navrhování pufrových systémů může být výpočet kapacity pufru (β = dB/dpH, kde B je množství bazy přidané) užitečnější než jednoduché výpočty pH.
Porozumění pufrovým roztokům a jejich matematickému popisu se v průběhu posledního století významně vyvinulo:
Koncept chemického pufrování byl poprvé systematicky popsán francouzským chemikem Marcellinem Berthelotem na konci 19. století. Nicméně to byl Lawrence Joseph Henderson, americký lékař a biochemik, kdo provedl první významnou matematickou analýzu pufrových systémů v roce 1908.
Henderson vyvinul počáteční formu toho, co se stane Henderson-Hasselbalchovou rovnicí, zatímco studoval roli oxidu uhličitého v regulaci pH krve. Jeho práce byla publikována v článku s názvem "O vztahu mezi silou kyselin a jejich schopností udržovat neutralitu."
V roce 1916 Karl Albert Hasselbalch, dánský lékař a chemik, přeformuloval Hendersonovu rovnici pomocí pH notace (zavedené Sørensenem v roce 1909) namísto koncentrace iontů vodíku. Tato logaritmická forma učinila rovnici praktičtější pro laboratorní použití a je to verze, kterou používáme dnes.
Během 20. století se Henderson-Hasselbalchova rovnice stala základním kamenem kyselinově-zásadové chemie a biochemie:
Rovnice zůstává jedním z nejdůležitějších a nejčastěji používaných vztahů v chemii, ačkoli je více než stoletá.
Zde jsou implementace Henderson-Hasselbalchovy rovnice v různých programovacích jazycích:
1def calculate_buffer_ph(acid_concentration, base_concentration, pKa=7.21):
2 """
3 Vypočítá pH pufrového roztoku pomocí Henderson-Hasselbalchovy rovnice.
4
5 Parametry:
6 acid_concentration (float): Koncentrace kyseliny v mol/L
7 base_concentration (float): Koncentrace konjugované báze v mol/L
8 pKa (float): Konstanty disociace kyseliny (výchozí: 7.21 pro fosfátový pufr)
9
10 Návrat:
11 float: pH pufrového roztoku
12 """
13 import math
14
15 if acid_concentration <= 0 or base_concentration <= 0:
16 raise ValueError("Koncentrace musí být kladné hodnoty")
17
18 ratio = base_concentration / acid_concentration
19 pH = pKa + math.log10(ratio)
20
21 return round(pH, 2)
22
23# Příklad použití
24try:
25 acid_conc = 0.1 # mol/L
26 base_conc = 0.2 # mol/L
27 pH = calculate_buffer_ph(acid_conc, base_conc)
28 print(f"pH pufru: {pH}")
29except ValueError as e:
30 print(f"Chyba: {e}")
31
1function calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa = 7.21) {
2 // Ověření vstupů
3 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
4 throw new Error("Koncentrace musí být kladné hodnoty");
5 }
6
7 // Aplikace Henderson-Hasselbalchovy rovnice
8 const ratio = baseConcentration / acidConcentration;
9 const pH = pKa + Math.log10(ratio);
10
11 // Zaokrouhlení na 2 desetinná místa
12 return Math.round(pH * 100) / 100;
13}
14
15// Příklad použití
16try {
17 const acidConc = 0.1; // mol/L
18 const baseConc = 0.2; // mol/L
19 const pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
20 console.log(`pH pufru: ${pH}`);
21} catch (error) {
22 console.error(`Chyba: ${error.message}`);
23}
24
1public class BufferPHCalculator {
2 private static final double DEFAULT_PKA = 7.21; // Výchozí pKa pro fosfátový pufr
3
4 /**
5 * Vypočítá pH pufrového roztoku pomocí Henderson-Hasselbalchovy rovnice
6 *
7 * @param acidConcentration Koncentrace kyseliny v mol/L
8 * @param baseConcentration Koncentrace konjugované báze v mol/L
9 * @param pKa Konstanty disociace kyseliny
10 * @return pH pufrového roztoku
11 * @throws IllegalArgumentException pokud koncentrace nejsou kladné
12 */
13 public static double calculateBufferPH(double acidConcentration,
14 double baseConcentration,
15 double pKa) {
16 // Ověření vstupů
17 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
18 throw new IllegalArgumentException("Koncentrace musí být kladné hodnoty");
19 }
20
21 // Aplikace Henderson-Hasselbalchovy rovnice
22 double ratio = baseConcentration / acidConcentration;
23 double pH = pKa + Math.log10(ratio);
24
25 // Zaokrouhlení na 2 desetinná místa
26 return Math.round(pH * 100.0) / 100.0;
27 }
28
29 /**
30 * Přetížená metoda používající výchozí hodnotu pKa
31 */
32 public static double calculateBufferPH(double acidConcentration,
33 double baseConcentration) {
34 return calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, DEFAULT_PKA);
35 }
36
37 public static void main(String[] args) {
38 try {
39 double acidConc = 0.1; // mol/L
40 double baseConc = 0.2; // mol/L
41 double pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
42 System.out.printf("pH pufru: %.2f%n", pH);
43 } catch (IllegalArgumentException e) {
44 System.err.println("Chyba: " + e.getMessage());
45 }
46 }
47}
48
1' Excel funkce pro výpočet pH pufru
2Function BufferPH(acidConcentration As Double, baseConcentration As Double, Optional pKa As Double = 7.21) As Double
3 ' Ověření vstupů
4 If acidConcentration <= 0 Or baseConcentration <= 0 Then
5 BufferPH = CVErr(xlErrValue)
6 Exit Function
7 End If
8
9 ' Aplikace Henderson-Hasselbalchovy rovnice
10 Dim ratio As Double
11 ratio = baseConcentration / acidConcentration
12
13 BufferPH = pKa + Application.WorksheetFunction.Log10(ratio)
14
15 ' Zaokrouhlení na 2 desetinná místa
16 BufferPH = Round(BufferPH, 2)
17End Function
18
19' Použití v Excelu: =BufferPH(0.1, 0.2)
20
1calculate_buffer_ph <- function(acid_concentration, base_concentration, pKa = 7.21) {
2 # Ověření vstupů
3 if (acid_concentration <= 0 || base_concentration <= 0) {
4 stop("Koncentrace musí být kladné hodnoty")
5 }
6
7 # Aplikace Henderson-Hasselbalchovy rovnice
8 ratio <- base_concentration / acid_concentration
9 pH <- pKa + log10(ratio)
10
11 # Zaokrouhlení na 2 desetinná místa
12 return(round(pH, 2))
13}
14
15# Příklad použití
16acid_conc <- 0.1 # mol/L
17base_conc <- 0.2 # mol/L
18tryCatch({
19 pH <- calculate_buffer_ph(acid_conc, base_conc)
20 cat(sprintf("pH pufru: %.2f\n", pH))
21}, error = function(e) {
22 cat(sprintf("Chyba: %s\n", e$message))
23})
24
1function pH = calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
2 % VYPOCITEJTEBUFFERPH Vypočítá pH pufrového roztoku
3 % pH = VYPOCITEJTEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration)
4 % vypočítá pH pomocí Henderson-Hasselbalchovy rovnice
5 %
6 % pH = VYPOCITEJTEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
7 % používá zadanou hodnotu pKa místo výchozí (7.21)
8
9 % Nastavte výchozí pKa, pokud není poskytnuta
10 if nargin < 3
11 pKa = 7.21; % Výchozí pKa pro fosfátový pufr
12 end
13
14 % Ověření vstupů
15 if acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0
16 error('Koncentrace musí být kladné hodnoty');
17 end
18
19 % Aplikace Henderson-Hasselbalchovy rovnice
20 ratio = baseConcentration / acidConcentration;
21 pH = pKa + log10(ratio);
22
23 % Zaokrouhlení na 2 desetinná místa
24 pH = round(pH * 100) / 100;
25end
26
27% Příklad použití
28try
29 acidConc = 0.1; % mol/L
30 baseConc = 0.2; % mol/L
31 pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
32 fprintf('pH pufru: %.2f\n', pH);
33catch ME
34 fprintf('Chyba: %s\n', ME.message);
35end
36
Zde je několik příkladů výpočtů pH pufrů pro různé poměry koncentrací:
Pufrový roztok je směs, která odolává změnám pH, když se přidávají malé množství kyseliny nebo báze. Obvykle se skládá ze slabé kyseliny a její konjugované báze (nebo slabé báze a její konjugované kyseliny) v významných koncentracích.
Henderson-Hasselbalchova rovnice (pH = pKa + log([báze]/[kyselina])) spojuje pH pufrového roztoku s pKa slabé kyseliny a poměrem koncentrací konjugované báze k kyselině. Je odvozena z rovnováhy disociace kyseliny a umožňuje snadné výpočty pH.
Pro maximální kapacitu pufru by měl být poměr konjugované báze k kyselině blízko 1:1, což dává pH rovné pKa. Účinný rozsah pufru se obecně považuje za ±1 pH jednotku od pKa.
Vyberte pufr s pKa blízko požadovaného pH (ideálně v rozmezí ±1 pH jednotky). Zvažte také další faktory, jako je stabilita teploty, kompatibilita s vaším biologickým systémem nebo reakcí a minimální interference s testy nebo měřeními.
Ano, teplota ovlivňuje jak pKa kyseliny, tak ionizaci vody, což může změnit pH pufrového roztoku. Většina hodnot pKa je uváděna při 25°C a významné odchylky teploty mohou vyžadovat korekční faktory.
I když je možné míchat různé pufrové systémy, obvykle se to nedoporučuje, protože to komplikuje rovnováhu a může vést k nepředvídatelnému chování. Je lepší vybrat jeden pufrový systém s pKa blízko vaší cílové hodnoty pH.
Kapacita pufru (β) je měřítkem odolnosti pufrového roztoku vůči změnám pH, když se přidávají kyseliny nebo báze. Je definována jako množství kyseliny nebo báze potřebné k změně pH o jednu jednotku a je maximální, když pH = pKa. Může být vypočítána jako β = 2.303 × C × (Ka × [H⁺]) / (Ka + [H⁺])², kde C je celková koncentrace pufrových komponentů.
Vypočítejte požadovaný poměr konjugované báze k kyselině pomocí Henderson-Hasselbalchovy rovnice přeuspořádané jako [báze]/[kyselina] = 10^(pH-pKa). Poté připravte roztoky s odpovídajícími koncentracemi, abyste dosáhli tohoto poměru.
Rozdíly mohou vzniknout z faktorů, jako jsou:
Pro polyprotonové kyseliny (kyseliny s více disociovatelnými protony) lze Henderson-Hasselbalchovu rovnici aplikovat na každý krok disociace samostatně, ale pouze pokud jsou hodnoty pKa dostatečně odlišné (obecně >2 pH jednotky). Jinak jsou potřebné složitější výpočty rovnováhy.
Po, Henry N., a N. M. Senozan. "Henderson-Hasselbalchova rovnice: Její historie a omezení." Journal of Chemical Education, sv. 78, č. 11, 2001, s. 1499-1503.
Good, Norman E., et al. "Hydrogen Ion Buffers for Biological Research." Biochemistry, sv. 5, č. 2, 1966, s. 467-477.
Beynon, Robert J., a J. S. Easterby. Pufry: Základy. Oxford University Press, 1996.
Stoll, Vincent S., a John S. Blanchard. "Pufry: Principy a praxe." Methods in Enzymology, sv. 182, 1990, s. 24-38.
Martell, Arthur E., a Robert M. Smith. Kritické stabilitní konstanty. Plenum Press, 1974-1989.
Ellison, Sparkle L., et al. "Pufr: Průvodce přípravou a použitím pufrů v biologických systémech." Analytical Biochemistry, sv. 104, č. 2, 1980, s. 300-310.
Mohan, Chandra. Pufry: Průvodce přípravou a použitím pufrů v biologických systémech. Calbiochem, 2003.
Perrin, D. D., a Boyd Dempsey. Pufry pro kontrolu pH a kovových iontů. Chapman and Hall, 1974.
Objevte další nástroje, které by mohly být užitečné pro vaši pracovní postup.