Bufera pH kalkulators - Bezmaksas Hendersona-Haselbaha rīks

Kas ir buferšķīduma pH kalkulators?

Buferšķīduma pH kalkulators nosaka buferšķīduma pH pēc vājas skābes un tās konjugētās bāzes koncentrācijas. Šis rīks aprēķina fosfāta buferšķīduma pH — dihidrogēnfosfāta (H₂PO₄⁻) un hidrogēnfosfāta (HPO₄²⁻) maisījuma pH; šo maisījumu laboratorijās bieži izmanto, lai uzturētu šķīduma pH tuvu fizioloģiskajam līmenim. Tas izmanto Hendersona–Heselbalha vienādojumu ar fiksētu pKa vērtību 7,21.

Kas ir buferšķīdums?

Buferšķīdums pretojas pH izmaiņām, kad tam pievieno nelielu daudzumu skābes vai bāzes. Tas satur vāju skābi un tās konjugēto bāzi, parasti līdzīgos daudzumos. Katrai sastāvdaļai ir sava funkcija. Pievienojot skābi, konjugētā bāze saista liekos ūdeņraža jonus. Pievienojot bāzi, vājā skābe atbrīvo ūdeņraža jonus, lai to neitralizētu. pH mainās tikai nedaudz, nevis strauji.

Buferšķīdumi ir nozīmīgi, jo daudzi ķīmiskie un bioloģiskie procesi darbojas tikai šaurā pH diapazonā. Piemēram, asins pH saglabājas tuvu 7,4, pateicoties organismā esošajām buferu sistēmām, tostarp šeit aprakstītajam fosfāta buferšķīdumam.

Buferšķīdums vislabāk darbojas, ja skābes un bāzes daudzumi ir aptuveni vienādi. Lietderīgais diapazons parasti ir no skābes pKa vērtības, to samazinot vai palielinot par vienu pH vienību.

Hendersona–Heselbalha vienādojums

Hendersona–Heselbalha vienādojums nosaka buferšķīduma pH pēc tā pKa un konjugētās bāzes un skābes attiecības:

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

• pH raksturo šķīduma skābumu vai bāziskumu.
• pKa ir konkrētai skābei raksturīgs nemainīgs skaitlis, kas parāda, cik stipri tā saista ūdeņraža jonu. Jo mazāks pKa, jo stiprāka skābe.
• [A⁻] ir konjugētās bāzes koncentrācija molos uz litru (M).
• [HA] ir vājas skābes koncentrācija molos uz litru (M).

Šis vienādojums izriet no vājas skābes disociācijas līdzsvara, kurā veidojas ūdeņraža jons un tās konjugētā bāze:

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

Skābes disociācijas konstante Ka raksturo šo līdzsvaru: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Ņemot abu pušu negatīvo bāzes-10 logaritmu un pārveidojot vienādojumu, iegūst iepriekš minēto Hendersona–Heselbalha vienādojumu.

Šis kalkulators izmanto pKa = 7,21, kas ir fosforskābes otrās disociācijas vērtība (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) pie 25 °C. Šī pKa vērtība ir tuva fizioloģiskajam pH, tāpēc fosfāta pāris bioķīmijā ir standarta buferšķīdums. pKa vērtība ir fiksēta; rīks nepieņem pielāgotu pKa vērtību citām skābēm.

Kā aprēķināt buferšķīduma pH

1. Ievadiet skābes koncentrāciju [H₂PO₄⁻] molārajās vienībās (M).
2. Ievadiet konjugētās bāzes koncentrāciju [HPO₄²⁻] molārajās vienībās (M).
3. Izvēlieties “Aprēķināt pH”.
4. Aplūkojiet rezultātos parādīto pH un buferšķīduma efektivitātes novērtējumu.

Abām koncentrācijām jābūt pozitīviem skaitļiem. Ja kāds lauks ir tukšs, kalkulators pieprasa abas vērtības. Ja skaitlis ir nulle vai negatīvs, tas norāda, ka koncentrācijām jābūt pozitīvām.

Buferšķīduma efektivitātes novērtējums

Kalkulators arī novērtē, cik labi buferšķīdums saglabās savu pH, pamatojoties uz attālumu starp aprēķināto pH un pKa (7,21):

• Izcils: starpība ir 1,0 pH vienība vai mazāka.
• Labs: starpība ir no 1,0 līdz 2,0 pH vienībām.
• Vājš: starpība pārsniedz 2,0 pH vienības.

Tas atbilst vispārīgajam principam, ka buferšķīdums vislabāk darbojas vienas pH vienības robežās no savas pKa vērtības.

Aprēķina piemērs

Aprēķiniet fosfāta buferšķīduma pH, kas pagatavots no 0,1 M H₂PO₄⁻ (skābes) un 0,2 M HPO₄²⁻ (konjugētās bāzes).

1. pKa = 7,21
2. Bāzes un skābes attiecība = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

Buferšķīduma pH ir 7,51. Tā kā tas atšķiras no pKa tikai par 0,30 vienībām, kalkulators buferšķīduma efektivitāti novērtē kā izcilu.

Citi piemēri

Otrajai rindai: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. Trešajai rindai: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Buferkapacitāte

Buferšķīduma kapacitāte (β) raksturo, cik daudz stipras skābes vai bāzes buferšķīdums var absorbēt, pirms tā pH mainās par vienu vienību. Tā ir vislielākā, kad pH ir vienāds ar pKa, un samazinās, pH arvien vairāk attālinoties no pKa. Viens no tās aprēķināšanas veidiem ir:

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

kur C ir kopējā buferšķīduma koncentrācija ([HA] + [A⁻]), Ka ir skābes disociācijas konstante, bet [H⁺] ir ūdeņraža jonu koncentrācija.

Izmantojot iepriekš aprakstīto piemēru (0,1 M skābe, 0,2 M bāze, 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)

Tas nozīmē, ka aptuveni 0,154 moli stipras skābes vai bāzes uz litru mainītu šī buferšķīduma pH par vienu vienību. Pie tādas pašas kopējās koncentrācijas (0,3 M), bet ar pH, kas ir tieši vienāds ar pKa, kapacitāte sasniegtu maksimumu — aptuveni 0,173 mol/(L·pH).

Biežākie lietojumi

• Laboratoriskie pētījumi: enzīmu un olbaltumvielu testu pH uzturēšana stabilā līmenī.
• Šūnu kultūras: fizioloģiskā pH, kas ir tuvs 7,4, uzturēšana dzīvām šūnām.
• Farmaceitiskā formulēšana: zāļu šķīdumu stabilizēšana un šķīdības kontrole.
• Klīniskie šķīdumi: intravenozo šķidrumu un dialīzes šķīdumu pH pielāgošana asins pH.
• Pārtikas un ūdens pārbaude: pH uzraudzība ražošanas un vides paraugos.

Vēsture

Amerikāņu ārsts un bioķīmiķis Lorenss Džozefs Hendersons 1908. gadā publicēja pirmo kvantitatīvo buferšķīdumu darbības aprakstu asinīs. 1916. gadā dāņu zinātnieks Karls Alberts Heselbalhs pārveidoja Hendersona vienādojumu, izmantojot pH — apzīmējumu, ko 1909. gadā ieviesa Sērens Sērensens. Šī logaritmiskā forma ir mūsdienās izmantotais Hendersona–Heselbalha vienādojums, un vairāk nekā gadsimtu vēlāk tas joprojām ir standarta rīks ķīmijā un bioķīmijā.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kas ir buferšķīdums? Vājas skābes un tās konjugētās bāzes maisījums, kas pretojas pH izmaiņām, kad tam pievieno nelielu daudzumu skābes vai bāzes.

Kādu pKa vērtību izmanto šis kalkulators? Tas izmanto fiksētu pKa vērtību 7,21, kas ir fosforskābes otrā disociācijas konstante. Tas nepieņem pielāgotu pKa vērtību, tāpēc tiek modelēts tikai fosfāta buferpāris.

Vai šo kalkulatoru var izmantot citiem buferšķīdumiem, piemēram, acetāta buferšķīdumam? Ne tieši. Citām skābēm ir citas pKa vērtības (etiķskābes pKa ir aptuveni 4,76), bet šis rīks vienmēr veic aprēķinus ar 7,21. Citai buferistēmai Hendersona–Heselbalha vienādojums jāizmanto manuāli, ievietojot attiecīgās skābes pKa vērtību.

Kāda skābes un bāzes attiecība nodrošina labāko buferšķīdumu? Attiecība, kas ir tuva 1:1, nodrošina vislielāko pretestību pH izmaiņām, jo tādā gadījumā pH kļūst vienāds ar pKa.

Kas ir buferkapacitāte? Tas ir stipras skābes vai bāzes daudzums molos uz litru, kas nepieciešams, lai mainītu buferšķīduma pH par vienu vienību. Tā ir vislielākā, kad pH ir vienāds ar pKa.

Vai temperatūra maina buferšķīduma pH? Jā. pKa vērtības mainās atkarībā no temperatūras, un lielākā daļa publicēto pKa vērtību, tostarp 7,21 fosfātam, attiecas uz 25 °C.

Atsauces

1. Po, Henry N., un N. M. Senozan. “The Henderson-Hasselbalch Equation: Its History and Limitations.” Journal of Chemical Education, sēj. 78, nr. 11, 2001, lpp. 1499-1503.
2. Good, Norman E., u. c. “Hydrogen Ion Buffers for Biological Research.” Biochemistry, sēj. 5, nr. 2, 1966, lpp. 467-477.
3. Beynon, Robert J., un J. S. Easterby. Buffer Solutions: The Basics. Oxford University Press, 1996.