Puffer pH Kalkulátor - Ingyenes Henderson-Hasselbalch Eszköz

Mi az a puffer-pH-kalkulátor?

A puffer-pH-kalkulátor egy pufferoldat pH-ját határozza meg egy gyenge sav és konjugált bázisának koncentrációjából. Ez az eszköz egy dihidrogén-foszfátból (H₂PO₄⁻) és hidrogén-foszfátból (HPO₄²⁻) álló foszfátpuffer pH-ját számítja ki; ezt a keveréket laboratóriumokban gyakran használják arra, hogy egy oldat pH-ját a fiziológiás érték közelében tartsák. A Henderson–Hasselbalch-egyenletet használja, rögzített, 7,21 értékű pKa-val.

Mi az a pufferoldat?

A pufferoldat ellenáll a pH változásának, amikor kis mennyiségű savat vagy bázist adnak hozzá. Gyenge savat és annak konjugált bázisát tartalmazza oldatban, általában hasonló mennyiségben. Mindkét összetevőnek megvan a maga feladata. Sav hozzáadásakor a konjugált bázis megköti a felesleges hidrogénionokat. Bázis hozzáadásakor a gyenge sav hidrogénionokat ad le, hogy semlegesítse azt. A pH csak kissé változik, nem ingadozik szélsőségesen.

A pufferek azért fontosak, mert számos kémiai és biológiai folyamat csak szűk pH-tartományban működik. A vér például a szervezet puffer­rendszereinek köszönhetően a 7,4 pH közelében marad; ezek közé tartozik az itt bemutatott foszfátpuffer is.

A puffer akkor működik a legjobban, ha a sav és a bázis mennyisége közel azonos. A hasznos tartomány általában a sav pKa-értéke plusz vagy mínusz egy pH-egység.

A Henderson–Hasselbalch-egyenlet

A Henderson–Hasselbalch-egyenlet a puffer pH-ját a pKa-értékből, valamint a konjugált bázis és a sav arányából adja meg:

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

• pH azt méri, hogy az oldat mennyire savas vagy lúgos.
• pKa egy adott savhoz tartozó állandó érték, amely megmutatja, milyen erősen tartja magához a hidrogénionját. Az alacsonyabb pKa erősebb savat jelent.
• [A⁻] a konjugált bázis koncentrációja, mól/literben (M).
• [HA] a gyenge sav koncentrációja, mól/literben (M).

Az egyenlet egy gyenge sav hidrogénionra és konjugált bázisára történő disszociációjának egyensúlyából származik:

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

A savdisszociációs állandó, Ka, ezt az egyensúlyt írja le: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Mindkét oldal negatív alap-10-es logaritmusát véve, majd átrendezve a fenti Henderson–Hasselbalch-egyenletet kapjuk.

Ez a kalkulátor pKa = 7,21 értékkel számol, amely a foszforsav második disszociációjához tartozó érték (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) 25 °C hőmérsékleten. Ez a pKa közel esik a fiziológiás pH-hoz, ezért a foszfátpár standard puffer a biokémiában. A pKa rögzített; az eszköz más savakhoz nem fogad el egyéni pKa-értéket.

A puffer pH-jának kiszámítása

1. Adja meg a sav koncentrációját, [H₂PO₄⁻], moláris egységben (M).
2. Adja meg a konjugált bázis koncentrációját, [HPO₄²⁻], moláris egységben (M).
3. Válassza a „pH kiszámítása” lehetőséget.
4. Az eredmények között olvassa le a pH-t és a pufferhatásosság értékelését.

Mindkét koncentrációnak pozitív számnak kell lennie. Ha egy mezőt üresen hagy, a kalkulátor bekéri mindkét értéket. Ha egy szám nulla vagy negatív, jelzi, hogy a koncentrációknak pozitívnak kell lenniük.

A pufferhatásosság értékelése

A kalkulátor azt is jelzi, hogy a puffer milyen jól tartja a pH-ját, a kiszámított pH és a pKa közötti távolság alapján (7,21):

• Kiváló: a különbség legfeljebb 1,0 pH-egység.
• Jó: a különbség 1,0 és 2,0 pH-egység között van.
• Gyenge: a különbség több mint 2,0 pH-egység.

Ez összhangban van azzal az általános szabállyal, hogy a puffer a pKa-értékétől számított egy pH-egységen belül működik a legjobban.

Megoldott példa

Számítsuk ki egy 0,1 M koncentrációjú H₂PO₄⁻-t (a savat) és 0,2 M koncentrációjú HPO₄²⁻-t (a konjugált bázist) tartalmazó foszfátpuffer pH-ját.

1. pKa = 7,21
2. A bázis és a sav aránya = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

A puffer pH-ja 7,51. Mivel ez csak 0,30 egységnyire van a pKa-értéktől, a kalkulátor a pufferhatásosságot kiválónak értékeli.

További példák

A második sor esetében: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. A harmadik sor esetében: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Pufferkapacitás

A pufferkapacitás (β) azt méri, hogy egy puffer mennyi erős savat vagy bázist képes elnyelni, mielőtt a pH-ja egy egységgel megváltozik. Akkor a legnagyobb, amikor a pH megegyezik a pKa-val, és annál kisebb, minél jobban eltér a pH a pKa-tól. Kiszámításának egyik módja:

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

ahol C a puffer teljes koncentrációja ([HA] + [A⁻]), Ka a savdisszociációs állandó, [H⁺] pedig a hidrogénion-koncentráció.

A fenti kidolgozott példát használva (0,1 M sav, 0,2 M bázis, 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)

Ez azt jelenti, hogy literenként körülbelül 0,154 mól erős sav vagy bázis változtatná meg ennek a puffernek a pH-ját egy egységgel. Ugyanilyen teljes koncentráció (0,3 M) mellett, de pontosan a pKa-nak megfelelő pH-val a kapacitás körülbelül 0,173 mol/(L·pH) értéken tetőzne.

Gyakori alkalmazások

• Laboratóriumi kutatás: az enzim- és fehérjevizsgálatok pH-jának stabilan tartása.
• Sejttenyésztés: a fiziológiás, a 7,4 értékhez közeli pH fenntartása élő sejtekben.
• Gyógyszerkészítmények előállítása: gyógyszeroldatok stabilizálása és az oldhatóság szabályozása.
• Klinikai oldatok: az intravénás folyadékok és dializálóoldatok pH-jának a vér pH-jához igazítása.
• Élelmiszer- és vízvizsgálat: a pH ellenőrzése gyártási és környezeti mintákban.

Története

Lawrence Joseph Henderson amerikai orvos és biokémikus 1908-ban publikálta a vérben zajló pufferhatás első kvantitatív leírását. 1916-ban Karl Albert Hasselbalch dán tudós a pH használatával átdolgozta Henderson egyenletét; ezt a jelölést Søren Sørensen vezette be 1909-ben. Ez a logaritmikus változat a ma használt Henderson–Hasselbalch-egyenlet, amely több mint egy évszázaddal később is standard eszköz a kémiában és a biokémiában.

Gyakran ismételt kérdések

Mi az a pufferoldat? Gyenge sav és konjugált bázisának olyan keveréke, amely ellenáll a pH változásának, amikor kis mennyiségű savat vagy bázist adnak hozzá.

Milyen pKa-értéket használ ez a kalkulátor? Rögzített, 7,21 értékű pKa-val számol, amely a foszforsav második disszociációs állandója. Egyéni pKa-értéket nem fogad el, ezért csak a foszfátpuffer párját modellezi.

Használható ez a kalkulátor más pufferekhez, például acetátpufferhez? Közvetlenül nem. A különböző savak pKa-értékei eltérnek egymástól (az ecetsav pKa-értéke körülbelül 4,76), ez az eszköz pedig mindig 7,21 értékkel számol. Más pufferrendszer esetén kézzel kell alkalmazni a Henderson–Hasselbalch-egyenletet az adott sav pKa-értékével.

Milyen sav-bázis arány adja a legjobb puffert? A 1:1 értékhez közeli arány biztosítja a legnagyobb ellenállást a pH változásával szemben, mivel ekkor a pH megegyezik a pKa-val.

Mi a pufferkapacitás? Az erős sav vagy bázis literenkénti, mólban kifejezett mennyisége, amely a puffer pH-jának egy egységgel való megváltoztatásához szükséges. Akkor a legnagyobb, amikor a pH megegyezik a pKa-val.

Megváltoztatja a hőmérséklet a puffer pH-ját? Igen. A pKa-értékek a hőmérséklettel változnak, és a legtöbb közölt pKa-érték, köztük a foszfátra vonatkozó 7,21, 25 °C hőmérsékleten érvényes.

Hivatkozások

1. Po, Henry N. és N. M. Senozan. „A Henderson–Hasselbalch-egyenlet: története és korlátai.” Journal of Chemical Education, 78. évfolyam, 11. szám, 2001, 1499-1503. o.
2. Good, Norman E. és mtsai. „Hidrogénion-pufferek biológiai kutatásokhoz.” Biochemistry, 5. évfolyam, 2. szám, 1966, 467-477. o.
3. Beynon, Robert J. és J. S. Easterby. Pufferoldatok: Alapok. Oxford University Press, 1996.