Aprēķiniet bufera šķīdumu pH, ievadot skābes un konjugētās bāzes koncentrācijas. Izmanto Hendersona-Hasselbalha vienādojumu precīziem rezultātiem ķīmijas un bioķīmijas lietojumos.
Buferu pH kalkulators ir būtisks rīks ķīmiķiem, bioķīmiķiem un studentiem, kas strādā ar buferu šķīdumiem. Šis kalkulators izmanto Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu, lai noteiktu bufera šķīduma pH, pamatojoties uz vājā skābes un tās konjugētās bāzes koncentrācijām. Buferu šķīdumi ir svarīgi laboratoriju apstākļos, bioloģiskajos sistemas un rūpnieciskajos procesos, kur stabila pH uzturēšana ir nepieciešama. Mūsu lietotājam draudzīgais kalkulators vienkāršo sarežģītās aprēķinu procedūras, kas saistītas ar bufera pH noteikšanu, ļaujot ātri un precīzi iegūt rezultātus bez manuālās aprēķināšanas.
Buferu šķīdums ir maisījums, kas pretojas pH izmaiņām, kad tam pievieno nelielas skābes vai bāzes devas. Tas parasti sastāv no vājās skābes un tās konjugētās bāzes (vai vājās bāzes un tās konjugētās skābes) ievērojamās koncentrācijās. Šī kombinācija ļauj šķīdumam neitralizēt nelielas skābes vai bāzes pievienojumus, saglabājot relatīvi stabilu pH.
Buferu šķīdumi darbojas saskaņā ar Le Šatēliera principu, kas nosaka, ka, kad līdzsvara sistēma tiek traucēta, līdzsvars pārvietojas, lai pretotos traucējumam. Buferu šķīdumos:
Bufera šķīduma efektivitāte ir atkarīga no:
Hendersona-Hasselbalcha vienādojums ir matemātiskā pamata pamatā buferu šķīdumu pH aprēķināšanai. Tas saista bufera pH ar vājās skābes pKa un konjugētās bāzes un skābes koncentrāciju attiecību:
Kur:
Šis vienādojums ir atvasināts no skābes disociācijas līdzsvara:
Skābes disociācijas konstante (Ka) ir definēta kā:
Paņemot abu pušu negatīvo logaritmu un pārkārtojot:
Mūsu kalkulatorā mēs izmantojam pKa vērtību 7.21, kas atbilst fosfātu buferu sistēmai (H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻) 25°C, vienai no visbiežāk izmantotajām buferu sistēmām bioķīmijā un laboratoriju apstākļos.
Buferu kapacitāte (β) kvantificē buferu šķīduma pretestību pH izmaiņām, kad tiek pievienotas skābes vai bāzes. Tā ir maksimāla, kad pH ir vienāds ar vājās skābes pKa. Buferu kapacitāti var aprēķināt, izmantojot:
Kur:
Praktiskam piemēram, ņemsim mūsu fosfātu buferi ar [HA] = 0.1 M un [A⁻] = 0.2 M:
Aizvietojot šīs vērtības: 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
Tas nozīmē, ka pievienojot 0.069 moles stipras skābes vai bāzes uz litru, pH mainīsies par 1 vienību.
Mūsu Buferu pH kalkulators ir izstrādāts, lai būtu vienkāršs un viegli lietojams. Izpildiet šos soļus, lai aprēķinātu jūsu buferu šķīduma pH:
Kalkulators parādīs:
Ja vēlaties veikt citu aprēķinu, varat:
Lai iegūtu precīzus rezultātus, pārliecinieties, ka:
Kalkulators parādīs kļūdu ziņojumus, ja:
Apskatīsim pilnīgu piemēru, lai demonstrētu, kā darbojas buferu pH kalkulators:
Piemērs: Aprēķiniet fosfātu buferu šķīduma pH, kas satur 0.1 M dihidrogēnfosfātu (H₂PO₄⁻, skābes forma) un 0.2 M hidrogēnfosfātu (HPO₄²⁻, konjugētās bāzes forma).
Identificējiet komponentus:
Pielietojiet Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu:
Interpretējiet rezultātu:
Buferu pH aprēķini ir būtiski daudziem zinātniskiem un rūpnieciskiem pielietojumiem:
Lai gan Hendersona-Hasselbalcha vienādojums ir visbiežāk izmantotā metode buferu pH aprēķiniem, ir alternatīvas pieejas specifiskām situācijām:
Tieša pH mērīšana: Kalibrēta pH mērītāja izmantošana nodrošina visprecīzāko pH noteikšanu, īpaši sarežģītās maisījumos.
Pilnīgas līdzsvara aprēķini: Ļoti atšķirīgu šķīdumu gadījumā vai kad ir iesaistīti vairāki līdzsvari, var būt nepieciešams atrisināt pilnu līdzsvara vienādojumu kopumu.
Numeriskās metodes: Datorprogrammas, kas ņem vērā aktivitātes koeficientus un vairākus līdzsvarus, var sniegt precīzākus rezultātus neideālās šķīdumu situācijās.
Empīriskās pieejas: Dažās rūpnieciskās lietojumprogrammās var izmantot empīriskas formulas, kas iegūtas no eksperimentāliem datiem, nevis teorētiskus aprēķinus.
Buferu kapacitātes aprēķini: Buferu sistēmu projektēšanai buferu kapacitātes aprēķināšana (β = dB/dpH, kur B ir pievienotās bāzes daudzums) var būt noderīgāka nekā vienkārši pH aprēķini.
Izpratne par buferu šķīdumiem un to matemātisko aprakstu ir ievērojami attīstījusies pēdējā gadsimtā:
Ķīmiskā buferēšana pirmo reizi sistemātiski tika aprakstīta franču ķīmiķa Marcellin Berthelot 19. gadsimta beigās. Tomēr amerikāņu ārsts un bioķīmiķis Lorenss Džozefs Hendersons veica pirmo nozīmīgo matemātisko analīzi buferu sistēmām 1908. gadā.
Hendersons izstrādāja sākotnējo formu tam, kas kļūs par Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu, pētījot oglekļa dioksīda lomu asins pH regulēšanā. Viņa darbs tika publicēts rakstā ar nosaukumu "Par attiecībām starp skābju stiprumu un to spēju saglabāt neitralitāti."
Visā 20. gadsimtā Hendersona-Hasselbalcha vienādojums kļuva par pamatu skābes-bāzes ķīmijai un bioķīmijai:
Šis vienādojums joprojām ir viens no svarīgākajiem un plaši izmantotajiem sakariem ķīmijā, neskatoties uz to, ka tam ir vairāk nekā gadsimts.
Šeit ir Hendersona-Hasselbalcha vienādojuma ieviešana dažādās programmēšanas valodās:
1def calculate_buffer_ph(acid_concentration, base_concentration, pKa=7.21):
2 """
3 Aprēķina buferu šķīduma pH, izmantojot Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu.
4
5 Parametri:
6 acid_concentration (float): Skābes koncentrācija molārajās vienībās
7 base_concentration (float): Konjugētās bāzes koncentrācija molārajās vienībās
8 pKa (float): Skābes disociācijas konstante (noklusējums: 7.21 fosfātu buferim)
9
10 Atgriež:
11 float: Buferu šķīduma pH
12 """
13 import math
14
15 if acid_concentration <= 0 or base_concentration <= 0:
16 raise ValueError("Koncentrācijām jābūt pozitīvām vērtībām")
17
18 ratio = base_concentration / acid_concentration
19 pH = pKa + math.log10(ratio)
20
21 return round(pH, 2)
22
23# Piemēra izmantošana
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"Buferu pH: {pH}")
29except ValueError as e:
30 print(f"Kļūda: {e}")
311function calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa = 7.21) {
2 // Validē ievades
3 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
4 throw new Error("Koncentrācijām jābūt pozitīvām vērtībām");
5 }
6
7 // Pielieto Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu
8 const ratio = baseConcentration / acidConcentration;
9 const pH = pKa + Math.log10(ratio);
10
11 // Noapaļo uz 2 decimāldaļām
12 return Math.round(pH * 100) / 100;
13}
14
15// Piemēra izmantošana
16try {
17 const acidConc = 0.1; // mol/L
18 const baseConc = 0.2; // mol/L
19 const pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
20 console.log(`Buferu pH: ${pH}`);
21} catch (error) {
22 console.error(`Kļūda: ${error.message}`);
23}
241public class BufferPHCalculator {
2 private static final double DEFAULT_PKA = 7.21; // Noklusējuma pKa fosfātu buferim
3
4 /**
5 * Aprēķina buferu šķīduma pH, izmantojot Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu
6 *
7 * @param acidConcentration Skābes koncentrācija molārajās vienībās
8 * @param baseConcentration Konjugētās bāzes koncentrācija molārajās vienībās
9 * @param pKa Skābes disociācijas konstante
10 * @return Buferu šķīduma pH
11 * @throws IllegalArgumentException, ja koncentrācijas nav pozitīvas
12 */
13 public static double calculateBufferPH(double acidConcentration,
14 double baseConcentration,
15 double pKa) {
16 // Validē ievades
17 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
18 throw new IllegalArgumentException("Koncentrācijām jābūt pozitīvām vērtībām");
19 }
20
21 // Pielieto Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu
22 double ratio = baseConcentration / acidConcentration;
23 double pH = pKa + Math.log10(ratio);
24
25 // Noapaļo uz 2 decimāldaļām
26 return Math.round(pH * 100.0) / 100.0;
27 }
28
29 /**
30 * Pārslogota metode, izmantojot noklusējuma pKa vērtību
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("Buferu pH: %.2f%n", pH);
43 } catch (IllegalArgumentException e) {
44 System.err.println("Kļūda: " + e.getMessage());
45 }
46 }
47}
481' Excel funkcija buferu pH aprēķināšanai
2Function BufferPH(acidConcentration As Double, baseConcentration As Double, Optional pKa As Double = 7.21) As Double
3 ' Validē ievades
4 If acidConcentration <= 0 Or baseConcentration <= 0 Then
5 BufferPH = CVErr(xlErrValue)
6 Exit Function
7 End If
8
9 ' Pielieto Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu
10 Dim ratio As Double
11 ratio = baseConcentration / acidConcentration
12
13 BufferPH = pKa + Application.WorksheetFunction.Log10(ratio)
14
15 ' Noapaļo uz 2 decimāldaļām
16 BufferPH = Round(BufferPH, 2)
17End Function
18
19' Izmantošana Excel šūnā: =BufferPH(0.1, 0.2)
201calculate_buffer_ph <- function(acid_concentration, base_concentration, pKa = 7.21) {
2 # Validē ievades
3 if (acid_concentration <= 0 || base_concentration <= 0) {
4 stop("Koncentrācijām jābūt pozitīvām vērtībām")
5 }
6
7 # Pielieto Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu
8 ratio <- base_concentration / acid_concentration
9 pH <- pKa + log10(ratio)
10
11 # Noapaļo uz 2 decimāldaļām
12 return(round(pH, 2))
13}
14
15# Piemēra izmantošana
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("Buferu pH: %.2f\n", pH))
21}, error = function(e) {
22 cat(sprintf("Kļūda: %s\n", e$message))
23})
241function pH = calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
2 % CALCULATEBUFFERPH Aprēķina buferu šķīduma pH
3 % pH = CALCULATEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration)
4 % aprēķina pH, izmantojot Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu
5 %
6 % pH = CALCULATEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
7 % izmanto norādīto pKa vērtību, nevis noklusējuma (7.21)
8
9 % Iestata noklusējuma pKa, ja nav norādīts
10 if nargin < 3
11 pKa = 7.21; % Noklusējuma pKa fosfātu buferim
12 end
13
14 % Validē ievades
15 if acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0
16 error('Koncentrācijām jābūt pozitīvām vērtībām');
17 end
18
19 % Pielieto Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu
20 ratio = baseConcentration / acidConcentration;
21 pH = pKa + log10(ratio);
22
23 % Noapaļo uz 2 decimāldaļām
24 pH = round(pH * 100) / 100;
25end
26
27% Piemēra izmantošana
28try
29 acidConc = 0.1; % mol/L
30 baseConc = 0.2; % mol/L
31 pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
32 fprintf('Buferu pH: %.2f\n', pH);
33catch ME
34 fprintf('Kļūda: %s\n', ME.message);
35end
36Šeit ir vairāki buferu pH aprēķinu piemēri dažādām koncentrāciju attiecībām:
Buferu šķīdums ir maisījums, kas pretojas pH izmaiņām, kad nelielas skābes vai bāzes devas tiek pievienotas. Tas parasti sastāv no vājās skābes un tās konjugētās bāzes (vai vājās bāzes un tās konjugētās skābes) ievērojamās koncentrācijās.
Hendersona-Hasselbalcha vienādojums (pH = pKa + log([bāze]/[skābe])) saista bufera pH ar vājās skābes pKa un konjugētās bāzes un skābes koncentrāciju attiecību. Tas ir atvasināts no skābes disociācijas līdzsvara un ļauj vienkārši veikt pH aprēķinus.
Lai maksimizētu buferu kapacitāti, konjugētās bāzes un skābes attiecībai jābūt tuvu 1:1, kas dod pH, kas ir vienāds ar pKa. Efektīvā buferu darbības zona parasti tiek uzskatīta par ±1 pH vienību no pKa.
Izvēlieties buferi ar pKa, kas tuvu jūsu vēlamajam pH (ideāli ±1 pH vienības). Apsveriet arī citus faktorus, piemēram, temperatūras stabilitāti, saderību ar jūsu bioloģisko sistēmu vai reakciju un minimālu iejaukšanos analīzēs vai mērījumos.
Jā, temperatūra ietekmē gan skābes pKa, gan ūdens disociāciju, kas var mainīt buferu šķīduma pH. Lielākā daļa pKa vērtību tiek ziņotas pie 25°C, un būtiskas temperatūras novirzes var prasīt koriģējošus faktorus.
Lai gan ir iespējams sajaukt dažādas buferu sistēmas, tas parasti nav ieteicams, jo tas sarežģī līdzsvaru un var novest pie neparedzamas uzvedības. Labāk ir izvēlēties vienu buferu sistēmu ar pKa, kas tuvu jūsu mērķa pH.
Buferu kapacitāte (β) ir bufera pretestības mērījums pH izmaiņām, kad pievieno skābes vai bāzes. Tā tiek definēta kā skābes vai bāzes daudzums, kas nepieciešams, lai mainītu pH par vienu vienību, un tā ir maksimāla, kad pH = pKa. To var aprēķināt kā β = 2.303 × C × (Ka × [H⁺]) / (Ka + [H⁺])², kur C ir kopējā buferu koncentrācija.
Aprēķiniet nepieciešamo konjugētās bāzes un skābes attiecību, izmantojot Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu, pārveidotu kā [bāze]/[skābe] = 10^(pH-pKa). Pēc tam sagatavojiet šķīdumus ar attiecīgajām koncentrācijām, lai sasniegtu šo attiecību.
Atšķirības var rasties no tādiem faktoriem kā:
Poliprotiskām skābēm (skābēm ar vairākiem disociējamiem protoniem) Hendersona-Hasselbalcha vienādojumu var piemērot katram disociācijas solim atsevišķi, bet tikai tad, ja pKa vērtības ir pietiekami atšķirīgas (parasti >2 pH vienības). Citādi ir nepieciešami sarežģītāki līdzsvara aprēķini.
Po, Henry N., and N. M. Senozan. "Hendersona-Hasselbalcha vienādojums: tā vēsture un ierobežojumi." Journal of Chemical Education, vol. 78, no. 11, 2001, pp. 1499-1503.
Good, Norman E., et al. "Ūdeņraža jonu buferi bioloģiskajiem pētījumiem." Biochemistry, vol. 5, no. 2, 1966, pp. 467-477.
Beynon, Robert J., and J. S. Easterby. Buferi: pamati. Oxford University Press, 1996.
Stoll, Vincent S., and John S. Blanchard. "Buferi: principi un prakse." Methods in Enzymology, vol. 182, 1990, pp. 24-38.
Martell, Arthur E., and Robert M. Smith. Kritiskās stabilitātes konstantas. Plenum Press, 1974-1989.
Ellison, Sparkle L., et al. "Buferis: ceļvedis buferu sagatavošanai un lietošanai bioloģiskajās sistēmās." Analytical Biochemistry, vol. 104, no. 2, 1980, pp. 300-310.
Mohan, Chandra. Buferi: ceļvedis buferu sagatavošanai un lietošanai bioloģiskajās sistēmās. Calbiochem, 2003.
Perrin, D. D., and Boyd Dempsey. Buferi pH un metālu jonu kontrolei. Chapman and Hall, 1974.
Atklājiet vairāk rīku, kas varētu būt noderīgi jūsu darbplūsmai