Puskurin pH-laskuri - Ilmainen Henderson-Hasselbalch-työkalu

Mikä on puskurin pH-laskuri?

Puskurin pH-laskuri määrittää puskuriliuoksen pH-arvon heikon hapon ja sen vastinemäksen pitoisuuksien perusteella. Tämä työkalu laskee fosfaattipuskurin pH-arvon. Fosfaattipuskuri on dihydrogenfosfaatin (H₂PO₄⁻) ja hydrogenfosfaatin (HPO₄²⁻) seos, jota käytetään yleisesti laboratorioissa pitämään liuoksen pH lähellä fysiologista pH-arvoa. Se käyttää Hendersonin–Hasselbalchin yhtälöä ja kiinteää pKa-arvoa 7,21.

Mikä on puskuriliuos?

Puskuriliuos vastustaa pH-arvon muutoksia, kun siihen lisätään pieniä määriä happoa tai emästä. Se sisältää liuoksessa yhdessä heikon hapon ja sen vastinemäksen, yleensä samankaltaisina määrinä. Kummallakin osalla on oma tehtävänsä. Kun happoa lisätään, vastinemäs sitoo ylimääräiset vetyionit. Kun emästä lisätään, heikko happo luovuttaa vetyioneja neutraloidakseen sen. pH-arvo muuttuu vain vähän eikä heilahda voimakkaasti.

Puskurit ovat tärkeitä, koska monet kemialliset ja biologiset prosessit toimivat vain kapealla pH-alueella. Esimerkiksi veren pH pysyy lähellä arvoa 7,4 elimistön puskurijärjestelmien ansiosta. Näihin kuuluu myös tässä kuvattu fosfaattipuskuri.

Puskuri toimii parhaiten, kun hapon ja emäksen määrät ovat lähellä toisiaan. Käyttökelpoinen alue on yleensä hapon pKa ± yksi pH-yksikkö.

Hendersonin–Hasselbalchin yhtälö

Hendersonin–Hasselbalchin yhtälö antaa puskurin pH-arvon sen pKa-arvon ja vastinemäksen ja hapon välisen suhteen perusteella:

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

• pH ilmaisee, kuinka hapan tai emäksinen liuos on.
• pKa on tietylle hapolle ominainen kiinteä luku, joka ilmaisee, kuinka voimakkaasti happo pitää kiinni vetyionista. Pienempi pKa tarkoittaa vahvempaa happoa.
• [A⁻] on vastinemäksen pitoisuus mooleina litrassa (M).
• [HA] on heikon hapon pitoisuus mooleina litrassa (M).

Yhtälö perustuu heikon hapon tasapainoon sen hajotessa vetyioniksi ja vastinemäksekseen:

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

Hapon dissosiaatiovakio Ka kuvaa tätä tasapainoa: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Kun yhtälön molemmilta puolilta otetaan negatiivinen 10-kantainen logaritmi ja yhtälö järjestetään uudelleen, saadaan edellä esitetty Hendersonin–Hasselbalchin yhtälö.

Tämä laskuri käyttää arvoa pKa = 7,21, joka on fosforihapon toisen dissosiaation arvo (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) lämpötilassa 25 °C. Tämä pKa-arvo on lähellä fysiologista pH-arvoa, minkä vuoksi fosfaattipari on biokemiassa tavallinen puskuri. pKa-arvo on kiinteä; työkaluun ei voi syöttää muiden happojen mukautettua pKa-arvoa.

Puskurin pH-arvon laskeminen

1. Syötä hapon pitoisuus [H₂PO₄⁻] molaarisina yksikköinä (M).
2. Syötä vastinemäksen pitoisuus [HPO₄²⁻] molaarisina yksikköinä (M).
3. Valitse ”Laske pH”.
4. Lue tuloksissa näkyvä pH-arvo ja puskurin tehokkuusluokitus.

Molempien pitoisuuksien on oltava positiivisia lukuja. Jos kenttä jätetään tyhjäksi, laskuri pyytää molempia arvoja. Jos luku on nolla tai negatiivinen, laskuri ilmoittaa, että pitoisuuksien on oltava positiivisia.

Puskurin tehokkuusarvio

Laskuri ilmoittaa myös, kuinka hyvin puskuri säilyttää pH-arvonsa, laskennallisen pH-arvon ja pKa-arvon välisen etäisyyden perusteella (7,21):

• Erinomainen: ero on enintään 1,0 pH-yksikkö.
• Hyvä: ero on 1,0–2,0 pH-yksikköä.
• Heikko: ero on suurempi kuin 2,0 pH-yksikköä.

Tämä vastaa yleistä sääntöä, jonka mukaan puskuri toimii parhaiten yhden pH-yksikön sisällä pKa-arvostaan.

Laskuesimerkki

Laske fosfaattipuskurin pH, kun se on valmistettu 0,1 M:stä H₂PO₄⁻ (happo) ja 0,2 M:stä HPO₄²⁻ (vastinemäs).

1. pKa = 7,21
2. Emäksen ja hapon suhde = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

Puskurin pH-arvo on 7,51. Koska tämä poikkeaa pKa-arvosta vain 0,30 yksikköä, laskuri luokittelee puskurin tehokkuuden erinomaiseksi.

Lisää esimerkkejä

Toisella rivillä: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. Kolmannella rivillä: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Puskurikapasiteetti

Puskurikapasiteetti (β) mittaa, kuinka paljon vahvaa happoa tai emästä puskuri voi absorboida ennen kuin sen pH muuttuu yhdellä yksiköllä. Se on suurimmillaan, kun pH on yhtä suuri kuin pKa, ja pienenee, kun pH poikkeaa yhä kauemmas pKa-arvosta. Yksi tapa laskea se on:

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

jossa C on puskurin kokonaispitoisuus ([HA] + [A⁻]), Ka on hapon dissosiaatiovakio ja [H⁺] on vetyionipitoisuus.

Käyttäen edellä esitettyä esimerkkiä (0,1 M happoa, 0,2 M emästä, 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)

Tämä tarkoittaa, että noin 0,154 moolia vahvaa happoa tai emästä litrassa muuttaisi tämän puskurin pH-arvoa yhdellä yksiköllä. Samalla kokonaispitoisuudella (0,3 M), mutta pH-arvon ollessa täsmälleen pKa:n kohdalla, kapasiteetti olisi suurimmillaan, noin 0,173 mol/(L·pH).

Yleisiä käyttötarkoituksia

• Laboratoriotutkimus: entsyymi- ja proteiinimääritysten pH-arvon pitäminen vakaana.
• Soluviljely: fysiologisen, lähellä arvoa 7,4 olevan pH-arvon ylläpitäminen elävissä soluissa.
• Lääkemuotoilu: lääkeliuosten stabilointi ja liukoisuuden säätely.
• Kliiniset liuokset: suonensisäisten nesteiden ja dialyysiliuosten pH-arvon sovittaminen veren pH-arvoon.
• Elintarvikkeiden ja veden testaus: tuotanto- ja ympäristönäytteiden pH-arvon seuranta.

Historia

Amerikkalainen lääkäri ja biokemisti Lawrence Joseph Henderson julkaisi ensimmäisen kvantitatiivisen kuvauksen puskurien toiminnasta veressä vuonna 1908. Vuonna 1916 tanskalainen tiedemies Karl Albert Hasselbalch muotoili Hendersonin yhtälön uudelleen pH-merkinnän avulla, jonka Søren Sørensen oli ottanut käyttöön vuonna 1909. Tätä logaritmista versiota kutsutaan nykyisin Hendersonin–Hasselbalchin yhtälöksi, ja se on edelleen kemian ja biokemian vakiotyökalu yli sata vuotta myöhemmin.

Usein kysyttyä

Mikä on puskuriliuos? Heikon hapon ja sen vastinemäksen seos, joka vastustaa pH-arvon muutoksia, kun siihen lisätään pieniä määriä happoa tai emästä.

Mitä pKa-arvoa tämä laskuri käyttää? Se käyttää kiinteää pKa-arvoa 7,21, joka on fosforihapon toinen dissosiaatiovakio. Mukautettua pKa-arvoa ei voi syöttää, joten laskuri mallintaa vain fosfaattipuskuriparia.

Voinko käyttää tätä laskuria muille puskureille, kuten asetaattipuskurille? Et suoraan. Muilla hapoilla on erilaiset pKa-arvot (etikkahapon pKa on noin 4,76), ja tämä työkalu laskee aina arvolla 7,21. Toisen puskurijärjestelmän kohdalla käytä Hendersonin–Hasselbalchin yhtälöä käsin kyseisen hapon pKa-arvolla.

Millainen hapon ja emäksen suhde antaa parhaan puskurin? Suhde lähellä arvoa 1:1 antaa suurimman vastustuskyvyn pH-arvon muutoksille, koska tällöin pH on yhtä suuri kuin pKa.

Mikä on puskurikapasiteetti? Se on vahvan hapon tai emäksen määrä mooleina litrassa, joka tarvitaan puskurin pH-arvon muuttamiseen yhdellä yksiköllä. Se on suurimmillaan, kun pH on yhtä suuri kuin pKa.

Muuttuuko puskurin pH lämpötilan mukaan? Kyllä. pKa-arvot muuttuvat lämpötilan mukaan, ja useimmat julkaistut pKa-arvot, myös fosfaatin 7,21, koskevat lämpötilaa 25 °C.

Lähteet

1. Po, Henry N., ja N. M. Senozan. ”The Henderson-Hasselbalch Equation: Its History and Limitations.” Journal of Chemical Education, vol. 78, nro 11, 2001, s. 1499-1503.
2. Good, Norman E. ym. ”Hydrogen Ion Buffers for Biological Research.” Biochemistry, vol. 5, nro 2, 1966, s. 467-477.
3. Beynon, Robert J., ja J. S. Easterby. Buffer Solutions: The Basics. Oxford University Press, 1996.