Apskaičiuokite buferių pH, įvesdami rūgšties ir konjuguotos bazės koncentracijas. Naudoja Hendersono-Hasselbalcho lygtį, kad gautų tikslius rezultatus chemijos ir biochemijos taikymuose.
Buferio pH skaičiuoklis yra esminis įrankis chemikams, biochemikams ir studentams, dirbantiems su buferinėmis tirpalais. Šis skaičiuoklis taiko Henderson-Hasselbalch lygtį, kad nustatytų buferinio tirpalo pH, remiantis silpno rūgšties ir jos konjugato bazės koncentracijomis. Buferiniai tirpalai yra svarbūs laboratorinėse aplinkose, biologiniuose sistemose ir pramoniniuose procesuose, kur stabilaus pH palaikymas yra būtinas. Mūsų vartotojui draugiškas skaičiuoklis supaprastina sudėtingus skaičiavimus, susijusius su buferio pH nustatymu, leidžiant greitai ir tiksliai gauti rezultatus be rankinių skaičiavimų.
Buferinis tirpalas yra mišinys, kuris atsispiria pH pokyčiams, kai pridedama nedideliais kiekiais rūgšties arba šarmo. Jis paprastai susideda iš silpnos rūgšties ir jos konjugato bazės (arba silpnos bazės ir jos konjugato rūgšties) reikšmingose koncentracijose. Ši kombinacija leidžia tirpalui neutralizuoti nedidelius rūgščių ar šarmų priedus, palaikant santykinai stabilų pH.
Buferiniai tirpalai veikia pagal Le Chatelier principą, kuris teigia, kad kai sistema, esanti pusiausvyroje, yra trikdoma, pusiausvyra pasislenka, kad kompensuotų trikdžius. Buferiniuose tirpaluose:
Buferinio tirpalo efektyvumas priklauso nuo:
Henderson-Hasselbalch lygtis yra matematinis pagrindas buferinių tirpalų pH skaičiavimams. Ji sieja buferio pH su silpnos rūgšties pKa ir konjugato bazės bei rūgšties koncentracijų santykiu:
Kur:
Ši lygtis yra išvestinė iš rūgšties disociacijos pusiausvyros:
Rūgšties disociacijos konstanta (Ka) apibrėžiama kaip:
Paimant neigiamą logaritmą iš abiejų pusių ir perstatant:
Mūsų skaičiuoklėje naudojame pKa vertę 7.21, kuri atitinka fosfato buferinę sistemą (H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻) 25°C temperatūroje, viena iš dažniausiai naudojamų buferinių sistemų biochemijoje ir laboratorinėse aplinkose.
Buferio talpa (β) kvantifikuoja buferinio tirpalo atsparumą pH pokyčiams, kai pridedama rūgščių ar šarmų. Ji yra maksimali, kai pH lygu pKa silpnos rūgšties. Buferio talpa gali būti apskaičiuota naudojant:
Kur:
Praktiniam pavyzdžiui, apsvarstykime mūsų fosfato buferį su [HA] = 0.1 M ir [A⁻] = 0.2 M:
Pakeitus šias vertes: β = (2.303 × 0.3 × 6.17 × 10⁻⁸ × 3.09 × 10⁻⁸) ÷ (6.17 × 10⁻⁸ + 3.09 × 10⁻⁸)² = 0.069 mol/L/pH
Tai reiškia, kad pridėjus 0.069 molių stiprios rūgšties ar šarmo į litrą, pH pasikeistų 1 vienetu.
Mūsų buferio pH skaičiuoklis sukurtas paprastumui ir lengvumui naudoti. Sekite šiuos žingsnius, kad apskaičiuotumėte savo buferinio tirpalo pH:
Skaičiuoklė parodys:
Jei norite atlikti kitą skaičiavimą, galite:
Norint gauti tikslius rezultatus, užtikrinkite, kad:
Skaičiuoklė rodys klaidų pranešimus, jei:
Pereikime per pilną pavyzdį, kad parodytume, kaip veikia buferio pH skaičiuoklis:
Pavyzdys: Apskaičiuokite fosfato buferinio tirpalo pH, kuriame yra 0.1 M dihidrogenfosfato (H₂PO₄⁻, rūgšties forma) ir 0.2 M hidrogenfosfato (HPO₄²⁻, konjugato bazės forma).
Nustatykite komponentus:
Taikykite Henderson-Hasselbalch lygtį:
Interpretuokite rezultatą:
Buferio pH skaičiavimai yra esminiai daugybėje mokslinių ir pramoninių taikymų:
Nors Henderson-Hasselbalch lygtis yra dažniausiai naudojama buferių pH skaičiavimams, yra alternatyvūs metodai specifinėms situacijoms:
Tiesioginis pH matavimas: Kalibruotas pH metras teikia tiksliausią pH nustatymą, ypač sudėtingiems mišiniams.
Visiškas pusiausvyros skaičiavimas: Labai skiedžiamoms tirpalams arba kai dalyvauja keli pusiausvyros taškai, gali prireikti išspręsti visą pusiausvyros lygtį.
Skaitmeniniai metodai: Kompiuterinės programos, kurios atsižvelgia į aktyvumo koeficientus ir kelis pusiausvyros taškus, gali pateikti tikslesnius rezultatus neidealiose tirpaluose.
Empiriniai metodai: Kai kuriose pramonės taikymo srityse gali būti naudojamos empirinės formulės, gautos iš eksperimentinių duomenų, vietoj teorinių skaičiavimų.
Buferio talpos skaičiavimai: Projektuojant buferines sistemas, buferio talpos (β = dB/dpH, kur B yra pridėtos bazės kiekis) skaičiavimas gali būti naudingesnis nei paprasti pH skaičiavimai.
Supratimas apie buferinius tirpalus ir jų matematinį aprašymą per pastarąjį šimtmetį žymiai išsivystė:
Chemijos buferių koncepcija pirmą kartą sistemingai aprašyta XIX a. pabaigoje Prancūzų chemiko Marcellin Berthelot. Tačiau pirmasis reikšmingas buferinių sistemų matematinis analizavimas buvo atliktas amerikiečio gydytojo ir biochemiko Lawrence Joseph Henderson 1908 m.
Hendersonas sukūrė pradinę formą to, kas taps Henderson-Hasselbalch lygtimi, tyrinėdamas anglies dioksido vaidmenį kraujo pH reguliavime. Jo darbas buvo paskelbtas straipsnyje pavadinimu „Apie ryšį tarp rūgščių stiprumo ir jų gebėjimo išlaikyti neutralumą.“
1916 m. Karl Albert Hasselbalch, danų gydytojas ir chemikas, pertvarkė Hendersono lygtį, naudodamas pH notaciją (įvesta Sørensen 1909 m.) vietoj vandenilio jonų koncentracijos. Ši logaritminė forma padarė lygtį praktiškesnę laboratoriniam naudojimui ir yra versija, kurią naudojame šiandien.
XX a. Henderson-Hasselbalch lygtis tapo buferinių tirpalų ir biochemijos pagrindu:
Lygtis išlieka viena iš svarbiausių ir plačiausiai naudojamų chemijos santykių, nepaisant to, kad ji yra daugiau nei šimtmečio senumo.
Štai Henderson-Hasselbalch lygties įgyvendinimai įvairiose programavimo kalbose:
1def calculate_buffer_ph(acid_concentration, base_concentration, pKa=7.21):
2 """
3 Apskaičiuokite buferio pH naudojant Henderson-Hasselbalch lygtį.
4
5 Parametrai:
6 acid_concentration (float): Rūgšties koncentracija mol/L
7 base_concentration (float): Konjugato bazės koncentracija mol/L
8 pKa (float): Rūgšties disociacijos konstanta (numatytoji: 7.21 fosfato buferiui)
9
10 Grąžina:
11 float: Buferio tirpalo pH
12 """
13 import math
14
15 if acid_concentration <= 0 or base_concentration <= 0:
16 raise ValueError("Koncentracijos turi būti teigiamos vertės")
17
18 ratio = base_concentration / acid_concentration
19 pH = pKa + math.log10(ratio)
20
21 return round(pH, 2)
22
23# Pavyzdžio naudojimas
24try:
25 acid_conc = 0.1 # mol/L
26 base_conc = 0.2 # mol/L
27 pH = calculate_buffer_ph(acid_conc, base_conc)
28 print(f"Buferio pH: {pH}")
29except ValueError as e:
30 print(f"Klaida: {e}")
311function calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa = 7.21) {
2 // Patikrinkite įvestis
3 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
4 throw new Error("Koncentracijos turi būti teigiamos vertės");
5 }
6
7 // Taikykite Henderson-Hasselbalch lygtį
8 const ratio = baseConcentration / acidConcentration;
9 const pH = pKa + Math.log10(ratio);
10
11 // Apvalinkite iki 2 dešimtainių vietų
12 return Math.round(pH * 100) / 100;
13}
14
15// Pavyzdžio naudojimas
16try {
17 const acidConc = 0.1; // mol/L
18 const baseConc = 0.2; // mol/L
19 const pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
20 console.log(`Buferio pH: ${pH}`);
21} catch (error) {
22 console.error(`Klaida: ${error.message}`);
23}
241public class BufferPHCalculator {
2 private static final double DEFAULT_PKA = 7.21; // Numatytoji pKa fosfato buferiui
3
4 /**
5 * Apskaičiuoja buferio tirpalo pH naudojant Henderson-Hasselbalch lygtį
6 *
7 * @param acidConcentration Rūgšties koncentracija mol/L
8 * @param baseConcentration Konjugato bazės koncentracija mol/L
9 * @param pKa Rūgšties disociacijos konstanta
10 * @return Buferio tirpalo pH
11 * @throws IllegalArgumentException jei koncentracijos nėra teigiamos
12 */
13 public static double calculateBufferPH(double acidConcentration,
14 double baseConcentration,
15 double pKa) {
16 // Patikrinkite įvestis
17 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
18 throw new IllegalArgumentException("Koncentracijos turi būti teigiamos vertės");
19 }
20
21 // Taikykite Henderson-Hasselbalch lygtį
22 double ratio = baseConcentration / acidConcentration;
23 double pH = pKa + Math.log10(ratio);
24
25 // Apvalinkite iki 2 dešimtainių vietų
26 return Math.round(pH * 100.0) / 100.0;
27 }
28
29 /**
30 * Perkrovimo metodas, naudojantis numatytąją pKa vertę
31 */
32 public static double calculateBufferPH(double acidConcentration,
33 double baseConcentration) {
34 return calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, DEFAULT_PKA);
35 }
36
37 public static void main(String[] args) {
38 try {
39 double acidConc = 0.1; // mol/L
40 double baseConc = 0.2; // mol/L
41 double pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
42 System.out.printf("Buferio pH: %.2f%n", pH);
43 } catch (IllegalArgumentException e) {
44 System.err.println("Klaida: " + e.getMessage());
45 }
46 }
47}
481' Excel funkcija buferio pH skaičiavimui
2Function BufferPH(acidConcentration As Double, baseConcentration As Double, Optional pKa As Double = 7.21) As Double
3 ' Patikrinkite įvestis
4 If acidConcentration <= 0 Or baseConcentration <= 0 Then
5 BufferPH = CVErr(xlErrValue)
6 Exit Function
7 End If
8
9 ' Taikykite Henderson-Hasselbalch lygtį
10 Dim ratio As Double
11 ratio = baseConcentration / acidConcentration
12
13 BufferPH = pKa + Application.WorksheetFunction.Log10(ratio)
14
15 ' Apvalinkite iki 2 dešimtainių vietų
16 BufferPH = Round(BufferPH, 2)
17End Function
18
19' Naudojimas Excel ląstelėje: =BufferPH(0.1, 0.2)
201calculate_buffer_ph <- function(acid_concentration, base_concentration, pKa = 7.21) {
2 # Patikrinkite įvestis
3 if (acid_concentration <= 0 || base_concentration <= 0) {
4 stop("Koncentracijos turi būti teigiamos vertės")
5 }
6
7 # Taikykite Henderson-Hasselbalch lygtį
8 ratio <- base_concentration / acid_concentration
9 pH <- pKa + log10(ratio)
10
11 # Apvalinkite iki 2 dešimtainių vietų
12 return(round(pH, 2))
13}
14
15# Pavyzdžio naudojimas
16acid_conc <- 0.1 # mol/L
17base_conc <- 0.2 # mol/L
18tryCatch({
19 pH <- calculate_buffer_ph(acid_conc, base_conc)
20 cat(sprintf("Buferio pH: %.2f\n", pH))
21}, error = function(e) {
22 cat(sprintf("Klaida: %s\n", e$message))
23})
241function pH = calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
2 % CALCULATEBUFFERPH Apskaičiuokite buferio tirpalo pH
3 % pH = CALCULATEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration)
4 % apskaičiuoja pH naudojant Henderson-Hasselbalch lygtį
5 %
6 % pH = CALCULATEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
7 % naudoja nurodytą pKa vertę vietoj numatytos (7.21)
8
9 % Nustatykite numatytą pKa, jei nepateikta
10 if nargin < 3
11 pKa = 7.21; % Numatytoji pKa fosfato buferiui
12 end
13
14 % Patikrinkite įvestis
15 if acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0
16 error('Koncentracijos turi būti teigiamos vertės');
17 end
18
19 % Taikykite Henderson-Hasselbalch lygtį
20 ratio = baseConcentration / acidConcentration;
21 pH = pKa + log10(ratio);
22
23 % Apvalinkite iki 2 dešimtainių vietų
24 pH = round(pH * 100) / 100;
25end
26
27% Pavyzdžio naudojimas
28try
29 acidConc = 0.1; % mol/L
30 baseConc = 0.2; % mol/L
31 pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
32 fprintf('Buferio pH: %.2f\n', pH);
33catch ME
34 fprintf('Klaida: %s\n', ME.message);
35end
36Štai keli buferio pH skaičiavimo pavyzdžiai, skirti skirtingiems koncentracijos santykiams:
Buferinis tirpalas yra mišinys, kuris atsispiria pH pokyčiams, kai pridedama nedideliais kiekiais rūgšties arba šarmo. Jis paprastai susideda iš silpnos rūgšties ir jos konjugato bazės (arba silpnos bazės ir jos konjugato rūgšties) reikšmingose koncentracijose.
Henderson-Hasselbalch lygtis (pH = pKa + log([bazė]/[rūgštis])) sieja buferio pH su silpnos rūgšties pKa ir konjugato bazės bei rūgšties koncentracijų santykiu. Ji yra išvestinė iš rūgšties disociacijos pusiausvyros ir leidžia lengvai apskaičiuoti pH.
Maksimaliai buferio talpai konjugato bazės ir rūgšties santykis turėtų būti arti 1:1, kas suteikia pH, lygią pKa. Efektyvus buferio intervalas paprastai laikomas ±1 pH vienetu nuo pKa.
Pasirinkite buferį, kurio pKa yra arti norimo pH (idealiai ±1 pH vienetu). Apsvarstykite kitus veiksnius, tokius kaip temperatūros stabilumas, suderinamumas su jūsų biologine sistema ar reakcija, ir minimalus trukdymas bandymams ar matavimams.
Taip, temperatūra veikia tiek rūgšties pKa, tiek vandens disociaciją, kas gali pakeisti buferinio tirpalo pH. Dauguma pKa verčių yra pateikiamos 25°C temperatūroje, o reikšmingi temperatūros nuokrypiai gali reikalauti korekcijos faktorių.
Nors galima sumaišyti skirtingas buferines sistemas, paprastai tai nerekomenduojama, nes tai komplikuoja pusiausvyrą ir gali sukelti nenuspėjamą elgesį. Geriau pasirinkti vieną buferinę sistemą, kurios pKa yra arti jūsų tikslo pH.
Buferio talpa (β) yra buferio atsparumo pH pokyčiams, kai pridedama rūgščių ar šarmų, matas. Ji apibrėžiama kaip kiekis rūgšties ar šarmo, reikalingas pH pokyčiui 1 vienetu, ir yra maksimali, kai pH = pKa. Ji gali būti apskaičiuota kaip β = 2.303 × C × (Ka × [H⁺]) / (Ka + [H⁺])², kur C yra bendra buferio koncentracija.
Apskaičiuokite reikiamą konjugato bazės ir rūgšties santykį, naudodami Henderson-Hasselbalch lygtį, perkeltą kaip [bazė]/[rūgštis] = 10^(pH-pKa). Tada paruoškite tirpalus su tinkamomis koncentracijomis, kad pasiektumėte šį santykį.
Nesutapimai gali kilti dėl tokių veiksnių kaip:
Poliprotinėms rūgštims (rūgštims, turinčioms kelis disociuojamus protonus) Henderson-Hasselbalch lygtis gali būti taikoma kiekvienam disociacijos žingsniui atskirai, tačiau tik jei pKa vertės yra pakankamai skirtingos (paprastai >2 pH vienetai). Priešingu atveju gali prireikti sudėtingesnių pusiausvyros skaičiavimų.
Po, Henry N., and N. M. Senozan. "Henderson-Hasselbalch lygtis: jos istorija ir ribos." Chemijos švietimo žurnalas, vol. 78, nr. 11, 2001, p. 1499-1503.
Good, Norman E., et al. "Vandenilio jonų buferiai biologiniams tyrimams." Biochemija, vol. 5, nr. 2, 1966, p. 467-477.
Beynon, Robert J., and J. S. Easterby. Buferiai: pagrindai. Oksfordo universiteto leidykla, 1996.
Stoll, Vincent S., and John S. Blanchard. "Buferiai: principai ir praktika." Metodai enzymologijoje, vol. 182, 1990, p. 24-38.
Perrin, D. D., and Boyd Dempsey. Buferiai: pH ir metalų jonų kontrolės vadovas. Chapman and Hall, 1974.
Martell, Arthur E., and Robert M. Smith. Kritinės stabilumo konstantos. Plenum Press, 1974-1989.
Ellison, Sparkle L., et al. "Buferis: buferių paruošimo ir naudojimo vadovas biologinėse sistemose." Analitinė biochemija, vol. 104, nr. 2, 1980, p. 300-310.
Mohan, Chandra. Buferiai: buferių paruošimo ir naudojimo vadovas biologinėse sistemose. Calbiochem, 2003.
Vandenberg, Robert E. "Buferiai: teorija ir praktika." Chemijos mokslas, vol. 56, nr. 3, 2001, p. 123-130.
Harned, H. S., and B. B. Owen. Paveldėjimo ir buferių chemija. Wiley, 1958.
Raskite daugiau įrankių, kurie gali būti naudingi jūsų darbo eiga.