Kalkulator pH pufera - Besplatni Henderson-Hasselbalchov alat

Što je kalkulator pH pufera?

Kalkulator pH pufera određuje pH puferske otopine iz koncentracija slabe kiseline i njezine konjugirane baze. Ovaj alat izračunava pH fosfatnog pufera, smjese dihidrogenfosfata (H₂PO₄⁻) i hidrogenfosfata (HPO₄²⁻), koja se često upotrebljava u laboratorijima za održavanje otopine blizu fiziološkog pH. Upotrebljava Henderson-Hasselbalchovu jednadžbu s fiksnim pKa od 7,21.

Što je puferska otopina?

Puferska otopina opire se promjenama pH kada joj se dodaju male količine kiseline ili baze. U otopini zajedno sadrži slabu kiselinu i njezinu konjugiranu bazu, obično u sličnim količinama. Svaka komponenta ima svoju ulogu. Kada se doda kiselina, konjugirana baza veže višak vodikovih iona. Kada se doda baza, slaba kiselina otpušta vodikove ione kako bi neutralizirala dodanu bazu. pH se mijenja samo malo, umjesto da naglo oscilira.

Puferi su važni jer mnogi kemijski i biološki procesi djeluju samo unutar uskog raspona pH. Krv, primjerice, ostaje blizu pH 7,4 zahvaljujući puferskim sustavima u tijelu, uključujući ovdje opisani fosfatni pufer.

Pufer najbolje djeluje kada su količine kiseline i baze približno jednake. Korisni raspon općenito obuhvaća pKa kiseline uvećan ili umanjen za jednu pH jedinicu.

Henderson-Hasselbalchova jednadžba

Henderson-Hasselbalchova jednadžba daje pH pufera na temelju njegova pKa i omjera konjugirane baze i kiseline:

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

• pH mjeri koliko je otopina kisela ili lužnata.
• pKa je fiksna vrijednost za određenu kiselinu koja pokazuje koliko snažno kiselina zadržava svoj vodikov ion. Niži pKa znači jaču kiselinu.
• [A⁻] je koncentracija konjugirane baze, izražena u molovima po litri (M).
• [HA] je koncentracija slabe kiseline, izražena u molovima po litri (M).

Jednadžba proizlazi iz ravnoteže pri disocijaciji slabe kiseline na vodikov ion i njezinu konjugiranu bazu:

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

Konstanta disocijacije kiseline, Ka, opisuje tu ravnotežu: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Uzimanje negativnog logaritma baze 10 s obje strane i preuređivanje daje prethodno navedenu Henderson-Hasselbalchovu jednadžbu.

Ovaj kalkulator upotrebljava pKa = 7,21, vrijednost za drugu disocijaciju fosforne kiseline (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) pri 25 °C. Taj je pKa blizu fiziološkom pH, zbog čega je fosfatni par standardni pufer u biokemiji. pKa je fiksan; alat ne prihvaća prilagođeni pKa za druge kiseline.

Kako izračunati pH pufera

1. Unesite koncentraciju kiseline, [H₂PO₄⁻], u molarnim jedinicama (M).
2. Unesite koncentraciju konjugirane baze, [HPO₄²⁻], u molarnim jedinicama (M).
3. Odaberite „Izračunaj pH”.
4. Očitajte pH te prikazanu ocjenu učinkovitosti pufera iz rezultata.

Obje koncentracije moraju biti pozitivni brojevi. Ako je polje prazno, kalkulator traži obje vrijednosti. Ako je broj nula ili negativan, prikazuje poruku da koncentracije moraju biti pozitivne.

Ocjena učinkovitosti pufera

Kalkulator također prikazuje koliko će dobro pufer održavati svoj pH, na temelju udaljenosti između izračunatog pH i pKa (7,21):

• Izvrsna: razlika iznosi 1,0 pH jedinicu ili manje.
• Dobra: razlika je između 1,0 i 2,0 pH jedinica.
• Slaba: razlika je veća od 2,0 pH jedinica.

To se podudara s općim pravilom da pufer najbolje djeluje unutar jedne pH jedinice od svojeg pKa.

Primjer izračuna

Izračunajte pH fosfatnog pufera pripremljenog od 0,1 M H₂PO₄⁻ (kiseline) i 0,2 M HPO₄²⁻ (konjugirane baze).

1. pKa = 7,21
2. Omjer baze i kiseline = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

pH pufera iznosi 7,51. Budući da je to samo 0,30 jedinica od pKa, kalkulator učinkovitost ovog pufera ocjenjuje kao izvrsnu.

Još primjera

Za drugi redak: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. Za treći redak: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Puferski kapacitet

Puferski kapacitet (β) mjeri koliko jaka kiselina ili baza pufer može apsorbirati prije nego što se njegov pH promijeni za jednu jedinicu. Najveći je kada je pH jednak pKa, a smanjuje se što se pH više udaljava od pKa. Jedan od načina izračuna jest:

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

gdje je C ukupna koncentracija pufera ([HA] + [A⁻]), Ka konstanta disocijacije kiseline, a [H⁺] koncentracija vodikovih iona.

Primjenom prethodno riješenog primjera (0,1 M kiseline, 0,2 M baze, 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)

To znači da bi približno 0,154 molova jake kiseline ili baze po litri promijenilo pH ovog pufera za jednu jedinicu. Pri istoj ukupnoj koncentraciji (0,3 M), ali s pH-om točno jednakim pKa, kapacitet bi dosegnuo vrhunac od približno 0,173 mol/(L·pH).

Uobičajene primjene

• Laboratorijska istraživanja: održavanje stabilnog pH u analizama enzima i proteina.
• Stanične kulture: održavanje fiziološkog pH-a, blizu 7,4, za žive stanice.
• Farmaceutska formulacija: stabilizacija otopina lijekova i kontrola topljivosti.
• Kliničke otopine: usklađivanje intravenskih i dijaliznih otopina s pH krvi.
• Ispitivanje hrane i vode: praćenje pH u proizvodnim i okolišnim uzorcima.

Povijest

Američki liječnik i biokemičar Lawrence Joseph Henderson objavio je prvi kvantitativni opis ponašanja pufera u krvi 1908. U 1916 danski znanstvenik Karl Albert Hasselbalch preoblikovao je Hendersonovu jednadžbu koristeći pH, a tu je oznaku Søren Sørensen uveo u 1909. Ta je logaritamska inačica Henderson-Hasselbalchova jednadžba koja se danas upotrebljava i više od stoljeća poslije ostaje standardni alat u kemiji i biokemiji.

Često postavljana pitanja

Što je puferska otopina? Smjesa slabe kiseline i njezine konjugirane baze koja se opire promjenama pH kada se dodaju male količine kiseline ili baze.

Koji pKa upotrebljava ovaj kalkulator? Upotrebljava fiksnu vrijednost pKa od 7,21, koja odgovara drugoj konstanti disocijacije fosforne kiseline. Ne prihvaća prilagođeni pKa, pa modelira samo fosfatni puferski par.

Mogu li ovaj kalkulator upotrijebiti za druge pufere, primjerice acetatni? Ne izravno. Druge kiseline imaju drukčije vrijednosti pKa (pKa octene kiseline iznosi približno 4,76), a ovaj alat uvijek računa s 7,21. Za drugi puferski sustav ručno primijenite Henderson-Hasselbalchovu jednadžbu koristeći pKa te kiseline.

Koji omjer kiseline i baze daje najbolji pufer? Omjer blizu 1:1 daje najveći otpor promjeni pH-a jer tada pH postaje jednak pKa.

Što je puferski kapacitet? To je količina jake kiseline ili baze, izražena u molovima po litri, potrebna za promjenu pH pufera za jednu jedinicu. Najveći je kada je pH jednak pKa.

Mijenja li temperatura pH pufera? Da. Vrijednosti pKa mijenjaju se s temperaturom, a većina objavljenih vrijednosti pKa, uključujući 7,21 za fosfat, vrijedi pri 25 °C.

Reference

1. Po, Henry N. i N. M. Senozan. „Henderson-Hasselbalchova jednadžba: njezina povijest i ograničenja.” Journal of Chemical Education, sv. 78, br. 11, 2001, str. 1499-1503.
2. Good, Norman E. i dr. „Puferi vodikovih iona za biološka istraživanja.” Biochemistry, sv. 5, br. 2, 1966, str. 467-477.
3. Beynon, Robert J. i J. S. Easterby. Puferske otopine: osnove. Oxford University Press, 1996.