Buferio pH Skaičiuotuvas - Nemokamas Henderson-Hasselbalch Įrankis

Kas yra buferio pH skaičiuoklė?

Buferio pH skaičiuoklė nustato buferinio tirpalo pH pagal silpnosios rūgšties ir jos konjuguotosios bazės koncentracijas. Šis įrankis apskaičiuoja fosfatinio buferio, sudaryto iš dihidrofosfato (H₂PO₄⁻) ir hidrofosfato (HPO₄²⁻), pH. Toks buferis dažnai naudojamas laboratorijose, kad tirpalo pH išliktų artimas fiziologiniam. Skaičiuoklė naudoja Hendersono–Hasselbalcho lygtį, kurioje pKa yra fiksuotas ir lygus 7,21.

Kas yra buferinis tirpalas?

Buferinis tirpalas priešinasi pH pokyčiams, kai į jį įpilama nedidelių rūgšties arba bazės kiekių. Tirpale kartu paprastai būna panašūs silpnosios rūgšties ir jos konjuguotosios bazės kiekiai. Kiekviena sudedamoji dalis atlieka savo funkciją. Įpylus rūgšties, konjuguotoji bazė suriša papildomus vandenilio jonus. Įpylus bazės, silpnoji rūgštis išskiria vandenilio jonus ir ją neutralizuoja. Todėl pH pakinta tik šiek tiek, o ne smarkiai.

Buferiai svarbūs, nes daugelis cheminių ir biologinių procesų vyksta tik siaurame pH intervale. Pavyzdžiui, kraujo pH išlieka artimas 7,4 dėl organizme veikiančių buferinių sistemų, įskaitant čia aprašytą fosfatinį buferį.

Buferis veikia geriausiai, kai rūgšties ir bazės kiekiai yra beveik vienodi. Naudingas intervalas paprastai apima rūgšties pKa reikšmę plius arba minus vieną pH vienetą.

Hendersono–Hasselbalcho lygtis

Hendersono–Hasselbalcho lygtis leidžia apskaičiuoti buferio pH pagal jo pKa ir konjuguotosios bazės bei rūgšties santykį:

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

• pH parodo, kiek tirpalas yra rūgštus arba bazinis.
• pKa yra konkrečiai rūgščiai būdingas nekintamas skaičius, rodantis, kaip stipriai ji prisijungia vandenilio joną. Mažesnė pKa reikšmė reiškia stipresnę rūgštį.
• [A⁻] yra konjuguotosios bazės koncentracija moliais litre (M).
• [HA] yra silpnosios rūgšties koncentracija moliais litre (M).

Ši lygtis išvedama iš silpnosios rūgšties pusiausvyros, kai ji skyla į vandenilio joną ir konjuguotąją bazę:

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

Rūgšties disociacijos konstanta Ka apibūdina šią pusiausvyrą: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Paėmus abiejų pusių neigiamąjį 10 logaritmą ir pertvarkius lygtį, gaunama pirmiau pateikta Hendersono–Hasselbalcho lygtis.

Šioje skaičiuoklėje naudojama pKa = 7,21 – fosforo rūgšties antrosios disociacijos reikšmė (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) esant 25 °C. Ši pKa reikšmė yra artima fiziologiniam pH, todėl fosfatinė pora yra standartinis buferis biochemijoje. pKa yra fiksuota; įrankis nepriima pasirinktinės kitų rūgščių pKa reikšmės.

Kaip apskaičiuoti buferio pH

1. Įveskite rūgšties koncentraciją, [H₂PO₄⁻], moline išraiška (M).
2. Įveskite konjuguotosios bazės koncentraciją [HPO₄²⁻], moline išraiška (M).
3. Pasirinkite „Apskaičiuoti pH“.
4. Rezultatuose peržiūrėkite pH ir pateiktą buferio veiksmingumo įvertį.

Abi koncentracijos turi būti teigiami skaičiai. Jei kuris nors laukas paliekamas tuščias, skaičiuoklė paprašo įvesti abi reikšmes. Jei skaičius yra nulis arba neigiamas, parodoma, kad koncentracijos turi būti teigiamos.

Buferio veiksmingumo įvertis

Skaičiuoklė taip pat įvertina, kaip gerai buferis išlaikys savo pH, pagal atstumą tarp apskaičiuoto pH ir pKa (7,21):

• Puikus: skirtumas yra 1,0 pH vieneto arba mažesnis.
• Geras: skirtumas yra nuo 1,0 iki 2,0 pH vienetų.
• Prastas: skirtumas yra didesnis nei 2,0 pH vienetų.

Tai atitinka bendrą taisyklę, kad buferis geriausiai veikia vieno pH vieneto atstumu nuo savo pKa.

Skaičiavimo pavyzdys

Apskaičiuokite fosfatinio buferio, sudaryto iš 0,1 M H₂PO₄⁻ (rūgšties) ir 0,2 M HPO₄²⁻ (konjuguotosios bazės), pH.

1. pKa = 7,21
2. Bazės ir rūgšties santykis = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

Buferio pH yra 7,51. Kadangi jis nuo pKa skiriasi tik 0,30 vieneto, skaičiuoklė šio buferio veiksmingumą įvertina kaip puikų.

Daugiau pavyzdžių

Antrosios eilutės atveju: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. Trečiosios eilutės atveju: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Buferinė talpa

Buferinė talpa (β) parodo, kiek stipriosios rūgšties arba bazės buferis gali absorbuoti, kol jo pH pasikeis vienu vienetu. Ji yra didžiausia, kai pH lygus pKa, ir mažėja pH reikšmei vis labiau nukrypstant nuo pKa. Vienas iš jos apskaičiavimo būdų:

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

čia C yra bendra buferio koncentracija ([HA] + [A⁻]), Ka yra rūgšties disociacijos konstanta, o [H⁺] yra vandenilio jonų koncentracija.

Naudojant pirmiau pateiktą skaičiavimo pavyzdį (0,1 M rūgšties, 0,2 M bazės, 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)

Tai reiškia, kad maždaug 0,154 molio stipriosios rūgšties arba bazės litre pakeistų šio buferio pH vienu vienetu. Esant tokiai pačiai bendrai koncentracijai (0,3 M), bet pH tiksliai sutampant su pKa, talpa pasiektų didžiausią reikšmę – maždaug 0,173 mol/(L·pH).

Įprastas taikymas

• Laboratoriniai tyrimai: fermentų ir baltymų tyrimų pH palaikymas stabiliu.
• Ląstelių kultūros: fiziologinio, artimo 7,4, pH palaikymas gyvose ląstelėse.
• Farmacinių preparatų formulavimas: vaistų tirpalų stabilizavimas ir tirpumo kontrolė.
• Klinikiniai tirpalai: intraveninių skysčių ir dializės tirpalų pH suderinimas su kraujo pH.
• Maisto ir vandens tyrimai: gamybos ir aplinkos mėginių pH stebėjimas.

Istorija

Amerikiečių gydytojas ir biochemikas Lawrence'as Josephas Hendersonas 1908 metais paskelbė pirmąjį kiekybinį buferių veikimo kraujyje aprašymą. 1916 metais danų mokslininkas Karlas Albertas Hasselbalchas perrašė Hendersono lygtį naudodamas pH – žymėjimą, kurį 1909 metais įvedė Sørenas Sørensenas. Ši logaritminė forma yra šiandien naudojama Hendersono–Hasselbalcho lygtis ir praėjus daugiau nei šimtmečiui tebėra standartinis chemijos bei biochemijos įrankis.

Dažnai užduodami klausimai

Kas yra buferinis tirpalas? Silpnosios rūgšties ir jos konjuguotosios bazės mišinys, priešinantis pH pokyčiams, kai į jį įpilama nedidelių rūgšties arba bazės kiekių.

Kokią pKa reikšmę naudoja ši skaičiuoklė? Ji naudoja fiksuotą pKa reikšmę 7,21 – fosforo rūgšties antrąją disociacijos konstantą. Pasirinktinės pKa reikšmės įvesti negalima, todėl modeliuojama tik fosfatinė buferinė pora.

Ar galiu naudoti šią skaičiuoklę kitiems buferiams, pavyzdžiui, acetatiniam? Ne tiesiogiai. Kitų rūgščių pKa reikšmės skiriasi, pavyzdžiui, acto rūgšties pKa yra maždaug 4,76, o šis įrankis visada skaičiuoja naudodamas 7,21. Norėdami apskaičiuoti kitos buferinės sistemos reikšmę, rankiniu būdu pritaikykite Hendersono–Hasselbalcho lygtį su tos rūgšties pKa.

Koks rūgšties ir bazės santykis užtikrina geriausią buferio veikimą? Santykis, artimas 1:1, geriausiai priešinasi pH pokyčiui, nes tokiu atveju pH susilygina su pKa.

Kas yra buferinė talpa? Tai stipriosios rūgšties arba bazės kiekis, išreikštas moliais litre, reikalingas buferio pH pakeisti vienu vienetu. Ji didžiausia, kai pH lygus pKa.

Ar temperatūra keičia buferio pH? Taip. Keičiantis temperatūrai pKa reikšmės kinta, o dauguma paskelbtų pKa reikšmių, įskaitant fosfato 7,21, taikomos esant 25 °C.

Šaltiniai

1. Po, Henry N., ir N. M. Senozan. „Hendersono–Hasselbalcho lygtis: jos istorija ir apribojimai.“ Journal of Chemical Education, t. 78, nr. 11, 2001, p. 1499-1503.
2. Good, Norman E. ir kt. „Vandenilio jonų buferiai biologiniams tyrimams.“ Biochemistry, t. 5, nr. 2, 1966, p. 467-477.
3. Beynon, Robert J. ir J. S. Easterby. Buferiniai tirpalai: pagrindai. Oxford University Press, 1996.