Buffer pH Kalkulator - Gratis Henderson-Hasselbalch Verktøy

Hva er en buffer-pH-kalkulator?

En buffer-pH-kalkulator finner pH-verdien til en bufferløsning ut fra konsentrasjonene av en svak syre og dens korresponderende base. Dette verktøyet beregner pH-verdien til en fosfatbuffer, en blanding av dihydrogenfosfat (H₂PO₄⁻) og hydrogenfosfat (HPO₄²⁻) som vanligvis brukes i laboratorier for å holde en løsning nær fysiologisk pH. Den bruker Henderson–Hasselbalch-ligningen med en fast pKa på 7,21.

Hva er en bufferløsning?

En bufferløsning motvirker endringer i pH når små mengder syre eller base tilsettes. Den inneholder en svak syre og dens korresponderende base sammen i løsningen, vanligvis i omtrent like mengder. Hver del har sin funksjon. Når syre tilsettes, tar den korresponderende basen opp de ekstra hydrogenionene. Når base tilsettes, avgir den svake syren hydrogenioner som nøytraliserer basen. pH-verdien endres bare litt i stedet for å svinge kraftig.

Buffere er viktige fordi mange kjemiske og biologiske prosesser bare fungerer innenfor et smalt pH-område. Blod holder seg for eksempel nær pH 7,4 takket være buffersystemer i kroppen, blant annet fosfatbufferen som beskrives her.

En buffer fungerer best når mengdene av syre og base er omtrent like. Det nyttige området er vanligvis syrenes pKa pluss eller minus én pH-enhet.

Henderson–Hasselbalch-ligningen

Henderson–Hasselbalch-ligningen gir pH-verdien til en buffer ut fra pKa-verdien og forholdet mellom korresponderende base og syre:

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

• pH måler hvor sur eller basisk løsningen er.
• pKa er et fast tall for en bestemt syre som viser hvor sterkt den holder på hydrogenionet sitt. Lavere pKa betyr en sterkere syre.
• [A⁻] er konsentrasjonen av den korresponderende basen, i mol per liter (M).
• [HA] er konsentrasjonen av den svake syren, i mol per liter (M).

Ligningen kommer fra likevekten når en svak syre spaltes til et hydrogenion og dens korresponderende base:

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

Syredissosiasjonskonstanten, Ka, beskriver denne likevekten: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Når man tar den negative logaritmen med grunntall 10 av begge sider og omformer uttrykket, får man Henderson–Hasselbalch-ligningen ovenfor.

Denne kalkulatoren bruker pKa = 7,21, verdien for den andre dissosiasjonen av fosforsyre (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) ved 25 °C. Denne pKa-verdien ligger nær fysiologisk pH, og derfor er fosfatparet en standardbuffer i biokjemi. pKa-verdien er fast; verktøyet godtar ikke en egendefinert pKa for andre syrer.

Slik beregnes buffer-pH

1. Angi syrekonsentrasjonen, [H₂PO₄⁻], i molare enheter (M).
2. Angi konsentrasjonen av den korresponderende basen, [HPO₄²⁻], i molare enheter (M).
3. Velg «Beregn pH».
4. Les av pH-verdien og vurderingen av bufferens effektivitet i resultatene.

Begge konsentrasjonene må være positive tall. Hvis et felt står tomt, ber kalkulatoren om begge verdiene. Hvis et tall er null eller negativt, oppgir den at konsentrasjonene må være positive.

Vurdering av bufferens effektivitet

Kalkulatoren rapporterer også hvor godt bufferen vil holde på pH-verdien, basert på avstanden mellom beregnet pH og pKa (7,21):

• Utmerket: forskjellen er 1,0 pH-enhet eller mindre.
• God: forskjellen er mellom 1,0 og 2,0 pH-enheter.
• Dårlig: forskjellen er større enn 2,0 pH-enheter.

Dette samsvarer med den generelle regelen om at en buffer fungerer best innenfor én pH-enhet fra pKa-verdien.

Regneeksempel

Beregn pH-verdien til en fosfatbuffer laget med 0,1 M H₂PO₄⁻ (syren) og 0,2 M HPO₄²⁻ (den korresponderende basen).

1. pKa = 7,21
2. Forholdet mellom base og syre = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

Bufferens pH er 7,51. Siden dette bare er 0,30 enheter fra pKa-verdien, vurderer kalkulatoren bufferens effektivitet som utmerket.

Flere eksempler

For den andre raden: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. For den tredje raden: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Bufferkapasitet

Bufferkapasitet (β) måler hvor mye sterk syre eller base en buffer kan absorbere før pH-verdien endres med én enhet. Den er størst når pH er lik pKa, og blir mindre jo lenger pH-verdien beveger seg fra pKa. En måte å beregne den på er:

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

der C er den totale bufferkonsentrasjonen ([HA] + [A⁻]), Ka er syredissosiasjonskonstanten, og [H⁺] er hydrogenionkonsentrasjonen.

Med eksempelet ovenfor (0,1 M syre, 0,2 M base, 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)

Dette betyr at omtrent 0,154 mol sterk syre eller base per liter ville endre bufferens pH med én enhet. Ved samme totale konsentrasjon (0,3 M), men med pH nøyaktig lik pKa, ville kapasiteten nå en topp på omtrent 0,173 mol/(L·pH).

Vanlige bruksområder

• Laboratorieforskning: holde enzym- og proteinanalyser ved en stabil pH.
• Cellekultur: holde fysiologisk pH, nær 7,4, for levende celler.
• Farmasøytisk formulering: stabilisere legemiddelløsninger og kontrollere løselighet.
• Kliniske løsninger: tilpasse intravenøse væsker og dialysevæsker til blodets pH.
• Testing av mat og vann: overvåke pH i produksjons- og miljøprøver.

Historikk

Den amerikanske legen og biokjemikeren Lawrence Joseph Henderson publiserte den første kvantitative beskrivelsen av bufferadferd i blod i 1908. I 1916 omformulerte den danske forskeren Karl Albert Hasselbalch Hendersons ligning ved hjelp av pH, en notasjon som ble innført av Søren Sørensen i 1909. Denne logaritmiske versjonen er Henderson–Hasselbalch-ligningen som brukes i dag, og den er fortsatt et standardverktøy i kjemi og biokjemi mer enn hundre år senere.

Ofte stilte spørsmål

Hva er en bufferløsning? En blanding av en svak syre og dens korresponderende base som motvirker pH-endringer når små mengder syre eller base tilsettes.

Hvilken pKa bruker denne kalkulatoren? Den bruker en fast pKa på 7,21, den andre dissosiasjonskonstanten til fosforsyre. Den godtar ikke en egendefinert pKa, så den modellerer bare fosfatbufferparet.

Kan jeg bruke denne kalkulatoren for andre buffere, for eksempel acetat? Ikke direkte. Andre syrer har andre pKa-verdier (eddiksyres pKa er omtrent 4,76), og dette verktøyet beregner alltid med 7,21. For et annet buffersystem kan Henderson–Hasselbalch-ligningen brukes manuelt med pKa-verdien til den aktuelle syren.

Hvilket forhold mellom syre og base gir den beste bufferen? Et forhold nær 1:1 gir størst motstand mot pH-endringer, siden det gjør pH lik pKa.

Hva er bufferkapasitet? Det er mengden sterk syre eller base, i mol per liter, som trengs for å endre en buffers pH med én enhet. Den er størst når pH er lik pKa.

Endrer temperatur bufferens pH? Ja. pKa-verdier endres med temperaturen, og de fleste publiserte pKa-verdier, inkludert 7,21 for fosfat, gjelder ved 25 °C.

Referanser

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