Buffer pH Beregner - Gratis Henderson-Hasselbalch Værktøj

Hvad er en buffer-pH-beregner?

En buffer-pH-beregner finder pH-værdien for en bufferopløsning ud fra koncentrationerne af en svag syre og dens korresponderende base. Dette værktøj beregner pH-værdien for en fosfatbuffer, en blanding af dihydrogenfosfat (H₂PO₄⁻) og hydrogenfosfat (HPO₄²⁻), som almindeligvis bruges i laboratorier til at holde en opløsning tæt på fysiologisk pH. Den bruger Henderson-Hasselbalch-ligningen med en fast pKa på 7,21.

Hvad er en bufferopløsning?

En bufferopløsning modvirker ændringer i pH-værdien, når der tilsættes små mængder syre eller base. Den indeholder en svag syre og dens korresponderende base sammen i opløsningen, normalt i omtrent lige store mængder. Hver del har sin funktion. Når der tilsættes syre, optager den korresponderende base de ekstra brintioner. Når der tilsættes base, frigiver den svage syre brintioner, som neutraliserer basen. pH-værdien ændrer sig kun lidt i stedet for at svinge voldsomt.

Buffere er vigtige, fordi mange kemiske og biologiske processer kun fungerer inden for et snævert pH-område. Blod holder sig for eksempel tæt på pH 7,4 takket være buffersystemer i kroppen, herunder den fosfatbuffer, der beskrives her.

En buffer fungerer bedst, når mængderne af syre og base er omtrent lige store. Det anvendelige område er generelt syren pKa plus eller minus én pH-enhed.

Henderson-Hasselbalch-ligningen

Henderson-Hasselbalch-ligningen angiver en buffers pH-værdi ud fra dens pKa og forholdet mellem korresponderende base og syre:

$\text{pH} = \text{pKa} + \log_{10}\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)$

• pH måler, hvor sur eller basisk opløsningen er.
• pKa er et fast tal for en given syre, som viser, hvor stærkt den holder på sin brintion. En lavere pKa betyder en stærkere syre.
• [A⁻] er koncentrationen af den korresponderende base, angivet i mol pr. liter (M).
• [HA] er koncentrationen af den svage syre, angivet i mol pr. liter (M).

Ligningen stammer fra ligevægten for en svag syre, der spaltes til en brintion og dens korresponderende base:

$\text{HA} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{A}^-$

Syredissociationskonstanten, Ka, beskriver denne ligevægt: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Når man tager den negative base-10-logaritme på begge sider og omarrangerer, får man Henderson-Hasselbalch-ligningen ovenfor.

Denne beregner bruger pKa = 7,21, værdien for den anden dissociation af fosforsyre (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) ved 25 °C. Denne pKa ligger tæt på fysiologisk pH, og derfor er fosfatparret en standardbuffer i biokemien. pKa-værdien er fast; værktøjet accepterer ikke en brugerdefineret pKa for andre syrer.

Sådan beregnes buffer-pH

1. Indtast syrekoncentrationen, [H₂PO₄⁻], i molære enheder (M).
2. Indtast koncentrationen af den korresponderende base, [HPO₄²⁻], i molære enheder (M).
3. Vælg »Beregn pH«.
4. Aflæs pH-værdien og vurderingen af bufferens effektivitet, som vises i resultaterne.

Begge koncentrationer skal være positive tal. Hvis et felt efterlades tomt, beder beregneren om begge værdier. Hvis et tal er nul eller negativt, angiver den, at koncentrationerne skal være positive.

Vurdering af bufferens effektivitet

Beregneren angiver også, hvor godt bufferen vil holde sin pH-værdi, baseret på afstanden mellem den beregnede pH-værdi og pKa (7,21):

• Fremragende: forskellen er 1,0 pH-enhed eller mindre.
• God: forskellen er mellem 1,0 og 2,0 pH-enheder.
• Dårlig: forskellen er større end 2,0 pH-enheder.

Dette stemmer overens med den generelle regel om, at en buffer fungerer bedst inden for én pH-enhed fra dens pKa.

Regneeksempel

Beregn pH-værdien for en fosfatbuffer fremstillet med 0,1 M H₂PO₄⁻ (syren) og 0,2 M HPO₄²⁻ (den korresponderende base).

1. pKa = 7,21
2. Forholdet mellem base og syre = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

Bufferens pH-værdi er 7,51. Da den kun ligger 0,30 enheder fra pKa, vurderer beregneren bufferens effektivitet som fremragende.

Flere eksempler

For anden række: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. For tredje række: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Bufferkapacitet

Bufferkapacitet (β) måler, hvor meget stærk syre eller base en buffer kan absorbere, før dens pH-værdi ændres med én enhed. Den er størst, når pH er lig med pKa, og mindre, jo længere pH-værdien bevæger sig væk fra pKa. Den kan blandt andet beregnes således:

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

hvor C er den samlede bufferkoncentration ([HA] + [A⁻]), Ka er syredissociationskonstanten, og [H⁺] er brintionkoncentrationen.

Ved brug af regneeksemplet ovenfor (0,1 M syre, 0,2 M base, pH 7,51):

• C = 0,1 + 0,2 = 0,3 M
• $K_a = 10⁻⁷·²¹ \approx 6.17 \times 10⁻⁸$
• $[H^+] = 10⁻⁷·⁵¹ \approx 3.09 \times 10⁻⁸$

β = 2,303 × 0,3 × (6,17 × 10⁻⁸ × 3,09 × 10⁻⁸) / (6,17 × 10⁻⁸ + 3,09 × 10⁻⁸)² ≈ 0,154 mol/(L·pH)

Det betyder, at cirka 0,154 mol stærk syre eller base pr. liter ville ændre denne buffers pH-værdi med én enhed. Ved den samme samlede koncentration (0,3 M), men med pH præcis lig med pKa, ville kapaciteten toppe ved cirka 0,173 mol/(L·pH).

Almindelige anvendelser

• Laboratorieforskning: at holde enzym- og proteinanalyser ved en stabil pH-værdi.
• Cellekultur: at holde fysiologisk pH, tæt på 7,4, for levende celler.
• Farmaceutisk formulering: at stabilisere lægemiddelopløsninger og kontrollere opløseligheden.
• Kliniske opløsninger: at tilpasse intravenøse væsker og dialyseopløsninger til blodets pH-værdi.
• Test af fødevarer og vand: at overvåge pH i produktion og miljøprøver.

Historie

Den amerikanske læge og biokemiker Lawrence Joseph Henderson offentliggjorde den første kvantitative beskrivelse af bufferes virkning i blod i 1908. I 1916 omskrev den danske forsker Karl Albert Hasselbalch Hendersons ligning ved hjælp af pH, en notation indført af Søren Sørensen i 1909. Denne logaritmiske version er Henderson-Hasselbalch-ligningen, som bruges i dag, og den er fortsat et standardværktøj i kemi og biokemi mere end et århundrede senere.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er en bufferopløsning? En blanding af en svag syre og dens korresponderende base, som modvirker pH-ændringer, når der tilsættes små mængder syre eller base.

Hvilken pKa bruger denne beregner? Den bruger en fast pKa på 7,21, den anden dissociationskonstant for fosforsyre. Den accepterer ikke en brugerdefineret pKa og modellerer derfor kun fosfatbufferparret.

Kan jeg bruge denne beregner til andre buffere, f.eks. acetat? Ikke direkte. Andre syrer har andre pKa-værdier (eddikesyres pKa er cirka 4,76), og dette værktøj beregner altid med 7,21. For et andet buffersystem anvendes Henderson-Hasselbalch-ligningen manuelt med den pågældende syres pKa.

Hvilket forhold mellem syre og base giver den bedste buffer? Et forhold tæt på 1:1 giver den største modstand mod pH-ændringer, fordi det får pH-værdien til at være lig med pKa.

Hvad er bufferkapacitet? Det er den mængde stærk syre eller base, angivet i mol pr. liter, der kræves for at ændre en buffers pH-værdi med én enhed. Den er størst, når pH er lig med pKa.

Ændrer temperaturen bufferens pH-værdi? Ja. pKa-værdier ændrer sig med temperaturen, og de fleste offentliggjorte pKa-værdier, herunder 7,21 for fosfat, gælder ved 25 °C.

Referencer

1. Po, Henry N., og N. M. Senozan. "Henderson-Hasselbalch-ligningen: dens historie og begrænsninger." Journal of Chemical Education, bind 78, nr. 11, 2001, s. 1499-1503.
2. Good, Norman E., m.fl. "Brintionbuffere til biologisk forskning." Biochemistry, bind 5, nr. 2, 1966, s. 467-477.
3. Beynon, Robert J., og J. S. Easterby. Bufferopløsninger: det grundlæggende. Oxford University Press, 1996.