Bufferkapacitetsberegner | Gratis pH-stabilitetstværktøj

Hvad er bufferkapacitet?

Bufferkapacitet måler, hvor godt en opløsning modstår en ændring i pH, når der tilsættes en syre eller en base. Denne beregner finder bufferkapaciteten ud fra koncentrationen af en svag syre, koncentrationen af dens konjugerede base og syren pKa.

En buffer er en opløsning, der holder sin pH næsten konstant, selv når små mængder syre eller base blandes i den. Det sker ved at bruge en svag syre og dens konjugerede base sammen. Den svage syre er et stof, der kun spaltes delvist i vand og frigiver hydrogenioner. Den konjugerede base er det, der er tilbage af syren, efter at den har frigivet en hydrogenion. Bufferkapacitet, ofte skrevet som det græske bogstav β (beta), angiver et tal for, hvor stærk denne modstand er. En højere β betyder, at opløsningen kan optage mere syre eller base, før dens pH ændres.

Formel for bufferkapacitet

Bufferkapaciteten for en opløsning med én svag syre og dens konjugerede base følger af Van Slykes definition af bufferværdi:

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

• β er bufferkapaciteten i mol/L·pH
• C er den samlede koncentration af syren og basen tilsammen i mol/L
• Ka er syredissociationskonstanten, et tal, der viser, hvor meget den svage syre spaltes i vand
• [H⁺] er opløsningens hydrogenionkoncentration i mol/L

Ka er relateret til pKa ved Ka = 10⁻ᵖᴷᵃ. En lavere pKa betyder en stærkere syre.

Beregneren spørger ikke direkte efter pH. I stedet beregner den opløsningens [H⁺] ud fra forholdet mellem konjugeret base og svag syre ved hjælp af Henderson-Hasselbalch-sammenhængen [H⁺] = Ka × (syrekoncentration ÷ basekoncentration). Derefter indsætter den denne [H⁺] i formlen ovenfor.

Når syre- og basekoncentrationerne er ens, er [H⁺] lig med Ka, så pH er lig med pKa. Dette er også den pH, hvor bufferkapaciteten er størst. På dette punkt forenkles formlen til:

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

Sådan beregnes bufferkapacitet

1. Læg koncentrationen af den svage syre og koncentrationen af den konjugerede base sammen for at få den samlede koncentration, C.
2. Omregn pKa til Ka ved hjælp af Ka = 10⁻ᵖᴷᵃ.
3. Find [H⁺] ud fra forholdet mellem de to koncentrationer: [H⁺] = Ka × (syre ÷ base).
4. Indsæt C, Ka og [H⁺] i formlen for bufferkapacitet.

Eksempel

Tag en buffer lavet af 0,1 mol/L af en svag syre og 0,1 mol/L af dens konjugerede base med en pKa på 4,76, pKa for en acetatbuffer ved 25 °C. Dette er beregnerens indbyggede eksempel.

• Samlet koncentration: C = 0,1 + 0,1 = 0,2 mol/L
• Ka = 10⁻⁴·⁷⁶
• Da syre- og basekoncentrationerne er ens, er [H⁺] = Ka, så pH = pKa
• β = 2,303 × 0,2 ÷ 4 = 0,115150 mol/L·pH

Det betyder, at der kan tilsættes omkring 0,1152 mol stærk syre eller base pr. liter af denne buffer, før dens pH ændrer sig med en hel enhed.

Andet eksempel

En Tris-buffer, der er almindelig i molekylærbiologi, har en pKa på omkring 8,1 (8,06 ved 25 °C). Med 0,05 mol/L af syreformen og 0,05 mol/L af baseformen (0,1 mol/L i alt) er koncentrationerne ens, så pH igen er lig med pKa.

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

En buffer med en lavere samlet koncentration har, alt andet lige, en lavere kapacitet. En fordobling af den samlede koncentration fordobler bufferkapaciteten.

Hvad påvirker bufferkapaciteten?

Samlet koncentration. Bufferkapaciteten stiger i direkte forhold til den samlede koncentration. En mere koncentreret buffer kan optage mere syre eller base, men den tilfører også mere salt til opløsningen.

Afstand mellem pH og pKa. Kapaciteten er højest, når pH er lig med pKa, og falder hurtigt, når man bevæger sig væk fra den. Ved omkring 2 pH-enheder fra pKa er kapaciteten faldet til under en tiendedel af sit maksimum. En almindelig tommelfingerregel er, at en buffer mister sin nytte, når den ene komponent udgør under omkring 10 % af den anden. Ifølge Henderson-Hasselbalch-ligningen placerer det forhold pH omkring én enhed fra pKa.

Temperatur. pKa-værdier ændrer sig med temperaturen. Tris-bufferens pKa falder med omkring 0,028 enheder pr. grad Celsius, så en buffer, der er fremstillet ved 25 °C, opfører sig anderledes ved 37 °C.

Ionstyrke. Høje saltkoncentrationer ændrer ionernes effektive aktivitet i opløsningen, hvilket kan få den faktiske bufferkapacitet til at afvige fra den beregnede værdi. Effekten vokser, når saltkoncentrationen stiger.

Flere syregrupper. Syrer med mere end én dissocierbar proton, såsom fosforsyre, har flere pKa-værdier og en mere kompleks kapacitetskurve. Denne beregner antager ét enkelt syre-base-par.

Almindelige anvendelser

Beregninger af bufferkapacitet bruges inden for flere områder:

• Biokemi. Enzymer fungerer ofte kun inden for et snævert pH-område, så buffere skal modstå pH-ændringer forårsaget af reaktioner, der frigiver eller optager protoner.
• Farmaceutisk formulering. Injektionslægemidler har brug for en buffer, der er stærk nok til at holde pH stabil under opbevaring, men ikke så koncentreret, at den giver smerter på injektionsstedet.
• Miljøvidenskab. Jord kan buffere sur nedbør ved at neutralisere syren i det vand, der strømmer igennem den. Søer og vandløb i områder med tyndt jordlag, som ikke kan det, er mere sårbare.
• Klinisk kemi. Blodets pH holdes nær 7,4, blandt andet af bikarbonatbuffersystemet sammen med lungerne og nyrerne.

Begrænsninger ved denne beregner

Formlen forudsætter en ideel, fortyndet opløsning med kun ét syre-base-par. Virkelige opløsninger kan afvige fra beregningen, især ved høje saltkoncentrationer. For buffere med flere protoner, der kan afgives, eller for meget koncentrerede eller meget fortyndede opløsninger giver direkte måling et mere pålideligt svar end beregning alene.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er bufferkapacitet? Bufferkapacitet er et mål for, hvor mange mol stærk syre eller base pr. liter en opløsning kan optage, før dens pH ændrer sig med én enhed. Enheden er mol/L·pH.

Ved hvilken pH er bufferkapaciteten størst? Bufferkapaciteten er størst, når opløsningens pH er lig med pKa for dens svage syre. På dette tidspunkt er syren og den konjugerede base til stede i lige store mængder.

Er bufferkapacitet det samme som bufferstyrke? Ikke helt. Bufferstyrke henviser normalt til den samlede koncentration af syre og base i opløsningen. Bufferkapaciteten afhænger af denne koncentration og af, hvor tæt pH er på pKa.

Kan bufferkapaciteten være negativ? Nej. Bufferkapaciteten er altid positiv, da den repræsenterer den mængde syre eller base, der kræves for at ændre pH, ikke en ændringsretning.

Hvordan øger jeg en buffers kapacitet uden at ændre dens pH? Øg syre- og basekoncentrationerne med den samme faktor, så deres forhold forbliver det samme. Det øger den samlede koncentration og kapaciteten, mens pH forbliver uændret.

Hvorfor falder kapaciteten langt fra pKa? Når man bevæger sig væk fra pKa, bliver den ene form af syre-base-parret sjælden. Når der kun er lidt af den tilbage til at reagere, har tilsat syre eller base mindre at neutralisere, så pH ændres hurtigere ved samme tilsætning.

Referencer

1. Kim, D., Liao, J., & Hanrahan, J. W. The buffer capacity of airway epithelial secretions. Frontiers in Physiology (2014). Buffer capacity of airway secretions — Van Slykes definition af bufferværdi og formlen for lukket system β = 2,3·C·[H⁺]·K/([H⁺] + K)², en klokkeformet kurve med én top.
2. Brooke, D., Movahed, N., & Bothner, B. Universal buffers for use in biochemistry and biophysical experiments. AIMS Biophysics (2015). Universal buffers — tabel 1: acetat pKa 4,76; Tris pKa 8,06 ved 25 °C med dpKa/°C på −0,028.
3. OpenStax. Chemistry 2e, 14.6 Buffers. Buffers — bufferkapaciteten stiger med koncentrationen; en buffer mister sin nytte, når den ene komponent er under omkring 10 % af den anden; blodets pH på omkring 7,4 holdes af carbonatbuffersystemet.
4. U.S. Environmental Protection Agency. Effects of Acid Rain. Effects of acid rain — jord bufferer sur nedbør ved at neutralisere den; tynd jord kan ikke.