બફર ક્ષમતા કૅલ્ક્યુલેટર | મફત pH સ્થિરતા સાધન

બફર ક્ષમતા શું છે?

બફર ક્ષમતા દર્શાવે છે કે દ્રાવણમાં અમ્લ અથવા ક્ષાર ઉમેરવામાં આવે ત્યારે તે pHમાં થતા ફેરફારનો કેટલો સારી રીતે પ્રતિકાર કરે છે. આ કેલ્ક્યુલેટર નબળા અમ્લની સાંદ્રતા, તેના સંયુગ્મી ક્ષારની સાંદ્રતા અને અમ્લના pKa પરથી બફર ક્ષમતા શોધે છે.

બફર એવું દ્રાવણ છે જે તેમાં અમ્લ અથવા ક્ષારની થોડી માત્રા ભેળવવામાં આવે ત્યારે પણ પોતાનું pH લગભગ સ્થિર રાખે છે. તે નબળા અમ્લ અને તેના સંયુગ્મી ક્ષારનો સાથે ઉપયોગ કરીને આમ કરે છે. નબળો અમ્લ એવો પદાર્થ છે જે પાણીમાં માત્ર અંશતઃ વિઘટિત થઈ હાઇડ્રોજન આયનો મુક્ત કરે છે. સંયુગ્મી ક્ષાર એ અમ્લમાંથી હાઇડ્રોજન આયન મુક્ત થયા પછી બાકી રહેતો પદાર્થ છે. બફર ક્ષમતા, જેને ઘણી વાર ગ્રીક અક્ષર β (બીટા) વડે લખવામાં આવે છે, તે આ પ્રતિકાર કેટલો મજબૂત છે તેનો આંકડો આપે છે. વધુ βનો અર્થ એ છે કે pH બદલાય તે પહેલાં દ્રાવણ વધુ અમ્લ અથવા ક્ષાર શોષી શકે છે.

બફર ક્ષમતાનું સૂત્ર

દ્રાવણની બફર ક્ષમતા છે:

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

• β એ બફર ક્ષમતા છે, એકમ mol/L·pHમાં
• C એ અમ્લ અને ક્ષારની સંયુક્ત કુલ સાંદ્રતા છે, એકમ mol/Lમાં
• Ka એ અમ્લ વિયોજન સ્થિરાંક છે, જે દર્શાવે છે કે નબળો અમ્લ પાણીમાં કેટલો વિઘટિત થાય છે
• [H⁺] એ દ્રાવણમાં હાઇડ્રોજન આયનની સાંદ્રતા છે, એકમ mol/Lમાં

Kaનો pKa સાથે સંબંધ $K_a = 10⁻ᵖᴷᵃ$ દ્વારા દર્શાવાય છે. ઓછો pKa વધુ મજબૂત અમ્લ દર્શાવે છે.

કેલ્ક્યુલેટર સીધું pH પૂછતું નથી. તેના બદલે, તે સંયુગ્મી ક્ષાર અને નબળા અમ્લના ગુણોત્તર પરથી દ્રાવણનું [H⁺] હેન્ડરસન-હેસેલબાલ્ક સંબંધ [H⁺] = Ka × (અમ્લની સાંદ્રતા ÷ ક્ષારની સાંદ્રતા) નો ઉપયોગ કરીને ગણે છે. પછી તે આ [H⁺] ને ઉપરના સૂત્રમાં મૂકે છે.

જ્યારે અમ્લ અને ક્ષારની સાંદ્રતા સમાન હોય, ત્યારે [H⁺] એ Ka જેટલું થાય છે, તેથી pH એ pKa જેટલું થાય છે. આ મહત્તમ બફર ક્ષમતાનું pH પણ છે. તે સમયે સૂત્ર સરળ બની જાય છે:

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

[H⁺] = Ka × (અમ્લ ÷ ક્ષાર) મૂકવાથી Ka કપાઈ જાય છે, તેથી સૂત્ર માત્ર બે સાંદ્રતાનો ઉપયોગ કરતું ટૂંકું સમતુલ્ય સ્વરૂપ ધારણ કરે છે:

$\beta = \frac{2.303 \times [HA] \times [A^-]}{[HA] + [A^-]}$

આ બાબત સહેલાઈથી ધ્યાન બહાર રહી શકે છે. pKa બદલાય ત્યારે દર્શાવાયેલી ક્ષમતા બદલાતી નથી. pKa નક્કી કરે છે કે બફર કયા pH પર રહે છે, તેની ક્ષમતા કેટલી છે તે નહીં. કેલ્ક્યુલેટરમાં pKa આલેખને ડાબી કે જમણી બાજુ ખસેડે છે, પરંતુ મુખ્ય આંકડો બદલાતો નથી.

બફર ક્ષમતાની ગણતરી કેવી રીતે કરવી

1. કુલ સાંદ્રતા C મેળવવા માટે નબળા અમ્લની સાંદ્રતા અને સંયુગ્મી ક્ષારની સાંદ્રતા ઉમેરો.
2. $K_a = 10⁻ᵖᴷᵃ$ નો ઉપયોગ કરીને pKaને Kaમાં ફેરવો.
3. બે સાંદ્રતાના ગુણોત્તર પરથી [H⁺] શોધો: [H⁺] = Ka × (અમ્લ ÷ ક્ષાર).
4. C, Ka અને [H⁺] ને બફર ક્ષમતાના સૂત્રમાં મૂકો.

ઉદાહરણ સાથે ગણતરી

0.1 mol/L નબળા અમ્લ અને તેના સંયુગ્મી ક્ષારના 0.1 mol/Lમાંથી બનેલો બફર લો, જેનો pKa 4.76 છે (એસિટિક અમ્લની નજીક). આ કેલ્ક્યુલેટરમાં પહેલેથી સમાવાયેલ નમૂનો છે.

• કુલ સાંદ્રતા: C = 0.1 + 0.1 = 0.2 mol/L
• $K_a = 10⁻⁴·⁷⁶$
• અમ્લ અને ક્ષારની સાંદ્રતા સમાન હોવાથી, [H⁺] = Ka, તેથી pH = pKa
• β = 2.303 × 0.2 ÷ 4 = 0.115150 mol/L·pH

બફર ક્ષમતા કુલ જથ્થો નહીં, પરંતુ દર છે. વર્તમાન pH પર pHમાં એકમ ફેરફાર દીઠ પ્રતિ લિટર કેટલા મોલ મજબૂત અમ્લ અથવા ક્ષાર જરૂરી છે તે β દર્શાવે છે. pH 4.76ની નજીક, pHના દસમા ભાગ જેટલા પ્રથમ વિચલન માટે આ બફરને પ્રતિ લિટર આશરે 0.0115 મોલની જરૂર પડે છે (0.115150 × 0.1). pHને આખા એકમ જેટલું ખસેડવા માટે પ્રતિ લિટર 0.1152 મોલ કરતાં ઓછા જરૂરી છે, કારણ કે pKaથી pH દૂર ખસે તેમ β પોતે ઘટે છે.

બીજું ઉદાહરણ

અણુજીવવિજ્ઞાનમાં સામાન્ય ટ્રિસ બફરનો pKa આશરે 8.1 હોય છે. અમ્લ સ્વરૂપના 0.05 mol/L અને ક્ષાર સ્વરૂપના 0.05 mol/L (કુલ 0.1 mol/L) સાથે બંને સાંદ્રતા સમાન છે, તેથી ફરીથી pH એ pKa જેટલું થાય છે.

β = 2.303 × 0.1 ÷ 4 = 0.057575 mol/L·pH, એટલે આશરે 0.0576 mol/L·pH.

અન્ય બધી બાબતો સમાન હોય ત્યારે ઓછી કુલ સાંદ્રતા ધરાવતા બફરની ક્ષમતા ઓછી હોય છે. કુલ સાંદ્રતા બમણી કરવાથી બફર ક્ષમતા બમણી થાય છે.

બફર ક્ષમતાને અસર કરતા પરિબળો

કુલ સાંદ્રતા. બફર ક્ષમતા કુલ સાંદ્રતાના સીધા પ્રમાણમાં વધે છે. મોટા ભાગના પ્રયોગશાળા બફરોમાં 50થી 200 mmol/L સાંદ્રતા વપરાય છે, જે પૂરતી ક્ષમતા, ખર્ચ અને અનિચ્છનીય ક્ષાર અસરો વચ્ચે સંતુલન રાખે છે.

pH અને pKa વચ્ચેનું અંતર. pH અને pKa સમાન હોય ત્યારે ક્ષમતા સૌથી વધુ હોય છે અને તેનાથી દૂર જતા ઝડપથી ઘટે છે. pKaથી આશરે 2 pH એકમ દૂર જતા ક્ષમતા તેની મહત્તમ ક્ષમતાના દસમા ભાગથી પણ ઓછી થઈ જાય છે. સામાન્ય નિયમ તરીકે જરૂરી pHથી એક pH એકમની અંદર pKa ધરાવતો બફર પસંદ કરવામાં આવે છે.

તાપમાન. તાપમાન સાથે pKaના મૂલ્યો બદલાય છે. ટ્રિસ બફરનો pKa સેલ્સિયસ તાપમાનના પ્રત્યેક અંશ દીઠ આશરે 0.03 એકમ ઘટે છે, તેથી 25 °C પર તૈયાર કરેલો બફર 37 °C પર અલગ રીતે વર્તે છે.

આયનિક શક્તિ. વધુ ક્ષાર સાંદ્રતા દ્રાવણમાં આયનોની અસરકારક પ્રવૃત્તિ બદલે છે, જેના કારણે વાસ્તવિક બફર ક્ષમતા ગણતરી કરેલા મૂલ્ય કરતાં ઓછી હોઈ શકે છે. ઓગળેલા ક્ષારનું પ્રમાણ વધે તેમ આ અસર વધે છે.

બહુવિધ અમ્લ જૂથો. ફોસ્ફોરિક અમ્લ જેવા એકથી વધુ વિયોજ્ય પ્રોટોન ધરાવતા અમ્લોમાં અનેક pKa મૂલ્યો અને વધુ જટિલ ક્ષમતા વક્ર હોય છે. આ કેલ્ક્યુલેટર એક જ અમ્લ-ક્ષાર યુગ્મ ધારે છે.

પરિણામની નીચેનો આલેખ pKaની બંને બાજુ ચાર pH એકમોના વિસ્તારમાં pH સામે β દર્શાવે છે અને pHને ચલ તરીકે ધરાવતા સંપૂર્ણ સૂત્રનો ઉપયોગ કરે છે. તે pH = pKa પર શિખરે પહોંચે છે અને આ બિંદુની આસપાસ સમમિત હોય છે.

સામાન્ય ઉપયોગો

બફર ક્ષમતાની ગણતરીઓનો ઉપયોગ અનેક ક્ષેત્રોમાં થાય છે:

• જીવરસાયણશાસ્ત્ર. ઉત્સેચકો ઘણી વાર માત્ર મર્યાદિત pH વિસ્તારમાં કાર્ય કરે છે, તેથી પ્રોટોન મુક્ત કરતી અથવા શોષતી પ્રતિક્રિયાઓથી થતા pHના વિચલનનો બફરે પ્રતિકાર કરવો પડે છે.
• ઔષધીય રચના. ઇન્જેક્શન દ્વારા આપવામાં આવતી દવાઓ માટે સંગ્રહ દરમિયાન pH જાળવી રાખે તેટલો મજબૂત બફર જરૂરી છે, પરંતુ તે એટલો સાંદ્ર ન હોવો જોઈએ કે ઇન્જેક્શનના સ્થળે દુખાવો થાય.
• પર્યાવરણીય વિજ્ઞાન. સરોવરો અને જમીનમાં કાર્બોનેટ જેવા ઓગળેલા ખનિજોને કારણે કુદરતી બફર ક્ષમતા હોય છે. ઓછી બફર ક્ષમતા સરોવરને અમ્લવર્ષા માટે વધુ સંવેદનશીલ બનાવે છે.
• ચિકિત્સાકીય રસાયણશાસ્ત્ર. ફેફસાં અને મૂત્રપિંડો સાથે મળીને બાઇકાર્બોનેટ બફર પ્રણાલી દ્વારા રક્તનું pH અંશતઃ 7.4ની નજીક જાળવવામાં આવે છે.

આ કેલ્ક્યુલેટરની મર્યાદાઓ

આ સૂત્ર એક જ અમ્લ-ક્ષાર યુગ્મ ધરાવતા આદર્શ, પાતળા દ્રાવણની ધારણા કરે છે. કડક સિદ્ધાંતમાં પ્રવૃત્તિઓ વપરાય છે ત્યાં તે સાંદ્રતાઓનો ઉપયોગ કરે છે, તેથી વાસ્તવિક માપેલી ક્ષમતા ગણતરી કરેલી ક્ષમતા કરતાં ઓછી હોઈ શકે છે અને ક્ષારનું પ્રમાણ વધે તેમ આ તફાવત વધે છે. અનેક વિયોજ્ય પ્રોટોન ધરાવતા બફરો અથવા ખૂબ સાંદ્ર કે ખૂબ પાતળા દ્રાવણો માટે માત્ર ગણતરી કરતાં સીધું માપન વધુ વિશ્વસનીય પરિણામ આપે છે.

વારંવાર પૂછાતા પ્રશ્નો

બફર ક્ષમતા શું છે? દ્રાવણના વર્તમાન pH પર તેને એક એકમ બદલવા માટે પ્રતિ લિટર જરૂરી મજબૂત અમ્લ અથવા ક્ષારના મોલની સંખ્યા બફર ક્ષમતા છે. તેના એકમો mol/L·pH છે. pH બદલાતાં ક્ષમતા પોતે પણ બદલાય છે, તેથી તે નિશ્ચિત જથ્થો નહીં પરંતુ કોઈ ચોક્કસ બિંદુએનો દર છે.

બફર ક્ષમતા મહત્તમ કયા pH પર હોય છે? જ્યારે દ્રાવણનું pH તેના નબળા અમ્લના pKa જેટલું હોય ત્યારે બફર ક્ષમતા સૌથી વધુ હોય છે. તે સમયે અમ્લ અને સંયુગ્મી ક્ષાર સમાન માત્રામાં હોય છે.

શું બફર ક્ષમતા અને બફર શક્તિ એક જ છે? બરાબર એક જ નથી. બફર શક્તિ સામાન્ય રીતે દ્રાવણમાં રહેલા અમ્લ અને ક્ષારની કુલ સાંદ્રતાનો સંદર્ભ આપે છે. બફર ક્ષમતા આ સાંદ્રતા અને pH, pKaની કેટલી નજીક છે તેના પર આધાર રાખે છે.

શું બફર ક્ષમતા નકારાત્મક હોઈ શકે? ના. બફર ક્ષમતા હંમેશાં ધનાત્મક હોય છે, કારણ કે તે pH બદલવા માટે જરૂરી અમ્લ અથવા ક્ષારનો જથ્થો દર્શાવે છે, ફેરફારની દિશા નહીં.

pH બદલ્યા વિના બફરની ક્ષમતા કેવી રીતે વધારી શકાય? અમ્લ અને ક્ષારની સાંદ્રતા સમાન ગુણકથી વધારો અને તેમનો ગુણોત્તર સમાન રાખો. આથી pH બદલ્યા વિના કુલ સાંદ્રતા અને ક્ષમતા વધે છે.

pKaથી ઘણું દૂર જતા ક્ષમતા શા માટે ઘટે છે? pKaથી દૂર જતા અમ્લ-ક્ષાર યુગ્મનું એક સ્વરૂપ અલ્પ પ્રમાણમાં રહી જાય છે. પ્રતિક્રિયા કરવા માટે તેનું પ્રમાણ ઓછું હોવાથી ઉમેરાયેલ અમ્લ અથવા ક્ષારને નિષ્પ્રભ કરવા માટે ઓછું પદાર્થ રહે છે, તેથી સમાન ઉમેરા માટે pH ઝડપથી બદલાય છે.

સંદર્ભો

1. વેન સ્લાઇક, D. D. (1922). બફર મૂલ્યોના માપન પર. Journal of Biological Chemistry, 52, 525-570.
2. પો, H. N., અને સેનોઝાન, N. M. (2001). હેન્ડરસન-હેસેલબાલ્ક સમીકરણ: તેનો ઇતિહાસ અને મર્યાદાઓ. Journal of Chemical Education, 78(11), 1499-1503.
3. ગુડ, N. E., વગેરે. (1966). જૈવિક સંશોધન માટે હાઇડ્રોજન આયન બફરો. Biochemistry, 5(2), 467-477.
4. NIST રસાયણશાસ્ત્ર વેબબુક. નેશનલ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ સ્ટાન્ડર્ડ્સ ઍન્ડ ટેક્નૉલૉજી.
5. હેરિસ, D. C. (2010). પરિમાણાત્મક રાસાયણિક વિશ્લેષણ (8મી આવૃત્તિ). W. H. ફ્રીમેન એન્ડ કંપની.