Puhvri pH kalkulaator - Tasuta Henderson-Hasselbalchi tööriist

Mis on puhvri pH kalkulaator?

Puhvri pH kalkulaator leiab puhverlahuse pH nõrga happe ja selle konjugeeritud aluse kontsentratsioonide põhjal. See tööriist arvutab fosfaatpuhvri pH. Fosfaatpuhver on divesinikfosfaadi (H₂PO₄⁻) ja vesinikfosfaadi (HPO₄²⁻) segu, mida kasutatakse laborites tavaliselt lahuse füsioloogilise pH lähedal hoidmiseks. See kasutab Hendersoni-Hasselbalchi võrrandit, mille pKa väärtus on fikseeritud kujul 7,21.

Mis on puhverlahus?

Puhverlahus takistab pH muutumist, kui sellele lisatakse väikeses koguses hapet või alust. See sisaldab lahuses koos nõrka hapet ja selle konjugeeritud alust, tavaliselt sarnastes kogustes. Kummalgi osal on oma ülesanne. Happe lisamisel seob konjugeeritud alus liigsed vesinikioonid. Aluse lisamisel vabastab nõrk hape vesinikioone, et see neutraliseerida. pH muutub vaid veidi, mitte järsult.

Puhvrid on olulised, sest paljud keemilised ja bioloogilised protsessid toimivad ainult kitsas pH-vahemikus. Näiteks vere pH püsib puhvrisüsteemide abil keha lähedal väärtusel 7,4; nende hulka kuulub ka siin kirjeldatud fosfaatpuhver.

Puhver toimib kõige paremini siis, kui happe ja aluse kogused on ligikaudu võrdsed. Kasulik vahemik on üldjuhul happe pKa pluss või miinus üks pH-ühik.

Hendersoni-Hasselbalchi võrrand

Hendersoni-Hasselbalchi võrrand annab puhvri pH selle pKa ja konjugeeritud aluse ning happe suhte põhjal:

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

• pH näitab, kui happeline või aluseline lahus on.
• pKa on kindla happe jaoks fikseeritud arv, mis näitab, kui tugevalt see oma vesinikiooni seob. Madalam pKa tähendab tugevamat hapet.
• [A⁻] on konjugeeritud aluse kontsentratsioon moolides liitri kohta (M).
• [HA] on nõrga happe kontsentratsioon moolides liitri kohta (M).

Võrrand tuleneb nõrga happe tasakaalust, mille käigus hape laguneb vesinikiooniks ja konjugeeritud aluseks:

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

Happe dissotsiatsioonikonstant Ka kirjeldab seda tasakaalu: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Võttes mõlemalt poolelt negatiivse aluse-10 logaritmi ja avaldist teisendades saadakse eespool toodud Hendersoni-Hasselbalchi võrrand.

See kalkulaator kasutab väärtust pKa = 7,21, mis vastab fosforhappe teise dissotsiatsiooni väärtusele (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) temperatuuril 25 °C. See pKa on füsioloogilise pH lähedal, mistõttu on fosfaatpaar biokeemias tavaline puhver. pKa on fikseeritud; tööriist ei võimalda sisestada teiste hapete kohandatud pKa väärtust.

Kuidas arvutada puhvri pH-d

1. Sisestage happe kontsentratsioon [H₂PO₄⁻] molaarsusühikutes (M).
2. Sisestage konjugeeritud aluse kontsentratsioon [HPO₄²⁻] molaarsusühikutes (M).
3. Valige „Arvuta pH“.
4. Vaadake tulemustest pH-d ja puhvri tõhususe hinnangut.

Mõlemad kontsentratsioonid peavad olema positiivsed arvud. Kui väli jäetakse tühjaks, küsib kalkulaator mõlemat väärtust. Kui arv on null või negatiivne, teatab kalkulaator, et kontsentratsioonid peavad olema positiivsed.

Puhvri tõhususe hinnang

Kalkulaator annab ka hinnangu selle kohta, kui hästi puhver oma pH-d hoiab. Hinnang põhineb arvutatud pH ja pKa vahelisel kaugusel (7,21):

• Suurepärane: erinevus on 1,0 pH-ühikut või vähem.
• Hea: erinevus jääb 1,0 ja 2,0 pH-ühiku vahele.
• Halb: erinevus on suurem kui 2,0 pH-ühikut.

See vastab üldisele reeglile, et puhver toimib kõige paremini ühe pH-ühiku piires oma pKa väärtusest.

Näidisarvutus

Arvutage fosfaatpuhvri pH, mis on valmistatud 0,1 M H₂PO₄⁻-st (hape) ja 0,2 M HPO₄²⁻-st (konjugeeritud alus).

1. pKa = 7,21
2. Aluse ja happe suhe = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

Puhvri pH on 7,51. Kuna see erineb pKa väärtusest vaid 0,30 ühiku võrra, hindab kalkulaator selle puhvri tõhusust suurepäraseks.

Veel näiteid

Teise rea puhul: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. Kolmanda rea puhul: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Puhvermahutavus

Puhvermahutavus (β) näitab, kui palju tugevat hapet või alust suudab puhver siduda enne, kui selle pH muutub ühe ühiku võrra. See on suurim siis, kui pH võrdub pKa-ga, ja väheneb, mida kaugemale pH pKa väärtusest liigub. Üks selle arvutamise viis on:

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

kus C on puhvri kogukontsentratsioon ([HA] + [A⁻]), Ka on happe dissotsiatsioonikonstant ja [H⁺] on vesinikioonide kontsentratsioon.

Kasutades eespool toodud näidet (0,1 M hapet, 0,2 M alust, 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)

See tähendab, et umbes 0,154 mooli tugevat hapet või alust liitri kohta muudaks selle puhvri pH-d ühe ühiku võrra. Sama kogukontsentratsiooni korral (0,3 M), kuid kui pH oleks täpselt võrdne pKa-ga, saavutaks mahutavus maksimumi umbes väärtusel 0,173 mol/(L·pH).

Levinud kasutusalad

• Laboriuuringud: ensüümi- ja valgukatsete pH stabiilsena hoidmine.
• Rakukultuur: elusrakkude füsioloogilise pH, ligikaudu 7,4, hoidmine.
• Ravimpreparaatide valmistamine: ravimilahuste stabiliseerimine ja lahustuvuse reguleerimine.
• Kliinilised lahused: intravenoossete vedelike ja dialüüsilahuste kohandamine vere pH-ga.
• Toidu ja vee analüüs: pH jälgimine tootmises ja keskkonnaproovides.

Ajalugu

Ameerika arst ja biokeemik Lawrence Joseph Henderson avaldas esimese kvantitatiivse kirjelduse puhvrite toimimisest veres 1908. 1916 kirjutas Taani teadlane Karl Albert Hasselbalch Hendersoni võrrandi ümber pH abil; selle tähistuse võttis kasutusele Søren Sørensen 1909. Seda logaritmilist kuju tuntakse tänapäeval Hendersoni-Hasselbalchi võrrandina ning see on enam kui sajand hiljemgi keemias ja biokeemias tavaline töövahend.

Korduma kippuvad küsimused

Mis on puhverlahus? Nõrga happe ja selle konjugeeritud aluse segu, mis takistab pH muutumist väikese happe- või alusekoguse lisamisel.

Millist pKa väärtust see kalkulaator kasutab? See kasutab fikseeritud pKa väärtust 7,21, mis on fosforhappe teine dissotsiatsioonikonstant. Kohandatud pKa väärtust ei saa sisestada, seega modelleerib kalkulaator ainult fosfaatpuhvri paari.

Kas saan seda kalkulaatorit kasutada teiste puhvrite, näiteks atsetaatpuhvri puhul? Mitte otse. Teistel hapetel on teistsugused pKa väärtused; äädikhappe pKa on ligikaudu 4,76, kuid see tööriist arvutab alati väärtusega 7,21. Teise puhversüsteemi korral kasutage Hendersoni-Hasselbalchi võrrandit käsitsi, rakendades selle happe pKa väärtust.

Milline happe ja aluse suhe annab parima puhvri? Suhtele 1:1 lähedane suhe tagab suurima vastupanu pH muutumisele, sest siis võrdub pH pKa-ga.

Mis on puhvermahutavus? See on tugeva happe või aluse kogus moolides liitri kohta, mida on vaja puhvri pH muutmiseks ühe ühiku võrra. See on suurim siis, kui pH võrdub pKa-ga.

Kas temperatuur muudab puhvri pH-d? Jah. pKa väärtused muutuvad temperatuuriga ning enamik avaldatud pKa väärtusi, sealhulgas fosfaadi väärtus 7,21, kehtivad temperatuuril 25 °C.

Viited

1. Po, Henry N. ja N. M. Senozan. „Hendersoni-Hasselbalchi võrrand: ajalugu ja piirangud.“ Journal of Chemical Education, kd 78, nr 11, 2001, lk 1499-1503.
2. Good, Norman E. jt. „Vesinikioonipuhvrid bioloogilisteks uuringuteks.“ Biochemistry, kd 5, nr 2, 1966, lk 467-477.
3. Beynon, Robert J. ja J. S. Easterby. Puhverlahused: põhitõed. Oxford University Press, 1996.