Pengira pH Henderson-Hasselbalch untuk Larutan Penampan

Kira pH larutan penampan menggunakan persamaan Henderson-Hasselbalch. Masukkan pKa dan kepekatan asid serta asas konjugat untuk menentukan pH larutan.

Pengira pH Henderson-Hasselbalch

Persamaan Henderson-Hasselbalch

pH = pKa + log([A-]/[HA])

pH yang Dihitung

pH:7.00
Salin

Visualisasi Kapasiti Penampan

📚

Dokumentasi

Kalkulator pH Henderson-Hasselbalch

Pengenalan

Kalkulator pH Henderson-Hasselbalch adalah alat penting bagi ahli kimia, bio-kimia, dan pelajar biologi yang bekerja dengan larutan penampan dan keseimbangan asid-basa. Kalkulator ini menggunakan persamaan Henderson-Hasselbalch untuk menentukan pH larutan penampan berdasarkan pemalar disosiasi asid (pKa) dan kepekatan relatif asid dan pangkal konjugatnya. Memahami dan mengira pH penampan adalah penting dalam pelbagai prosedur makmal, analisis sistem biologi, dan formulasi farmaseutikal di mana mengekalkan pH yang stabil adalah kritikal untuk reaksi kimia atau proses biologi.

Larutan penampan menentang perubahan pH apabila sejumlah kecil asid atau basa ditambahkan, menjadikannya sangat berharga dalam pengaturan eksperimen dan sistem hidup. Persamaan Henderson-Hasselbalch memberikan hubungan matematik yang membolehkan saintis meramalkan pH larutan penampan dan merancang penampan dengan nilai pH tertentu untuk pelbagai aplikasi.

Persamaan Henderson-Hasselbalch

Persamaan Henderson-Hasselbalch dinyatakan sebagai:

pH=pKa+log10([A][HA])\text{pH} = \text{pKa} + \log_{10}\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)

Di mana:

  • pH adalah logaritma negatif kepekatan ion hidrogen
  • pKa adalah logaritma negatif pemalar disosiasi asid (Ka)
  • [A⁻] adalah kepekatan molar pangkal konjugat
  • [HA] adalah kepekatan molar asid yang tidak terdisosiasi

Memahami Pembolehubah

pKa (Pemalar Disosiasi Asid)

pKa adalah ukuran kekuatan asid—khususnya, kecenderungannya untuk menyumbangkan proton. Ia ditakrifkan sebagai logaritma negatif pemalar disosiasi asid (Ka):

pKa=log10(Ka)\text{pKa} = -\log_{10}(\text{Ka})

Nilai pKa adalah penting kerana:

  • Ia menentukan julat pH di mana penampan paling berkesan
  • Penampan berfungsi dengan baik apabila pH berada dalam ±1 unit dari pKa
  • Setiap asid mempunyai nilai pKa yang khas yang bergantung kepada struktur molekulnya

Kepekatan Pangkal Konjugat [A⁻]

Ini mewakili kepekatan bentuk deprotonasi asid, yang telah menerima proton. Sebagai contoh, dalam penampan asid asetik/asetat, ion asetat (CH₃COO⁻) adalah pangkal konjugat.

Kepekatan Asid [HA]

Ini adalah kepekatan bentuk asid yang tidak terdisosiasi (protonasi). Dalam penampan asid asetik/asetat, asid asetik (CH₃COOH) adalah asid yang tidak terdisosiasi.

Kes Khusus dan Keadaan Sempadan

  1. Kepekatan Sama: Apabila [A⁻] = [HA], istilah logaritma menjadi log(1) = 0, dan pH = pKa. Ini adalah prinsip utama dalam penyediaan penampan.

  2. Kepekatan Sangat Kecil: Persamaan ini tetap sah untuk larutan yang sangat cair, tetapi faktor lain seperti ionisasi diri air mungkin menjadi penting pada kepekatan yang sangat rendah.

  3. Kesan Suhu: Nilai pKa boleh berbeza dengan suhu, mempengaruhi pH yang dikira. Kebanyakan nilai pKa standard dilaporkan pada 25°C.

  4. Kekuatan Ionik: Kekuatan ionik yang tinggi boleh mempengaruhi koefisien aktiviti dan mengubah pKa berkesan, terutamanya dalam larutan tidak ideal.

Cara Menggunakan Kalkulator Henderson-Hasselbalch

Kalkulator kami memudahkan proses menentukan pH penampan menggunakan persamaan Henderson-Hasselbalch. Ikuti langkah-langkah ini untuk mengira pH larutan penampan anda:

  1. Masukkan nilai pKa asid anda di medan input pertama

    • Nilai ini boleh didapati dalam buku rujukan kimia atau pangkalan data dalam talian
    • Nilai pKa biasa disediakan dalam jadual rujukan di bawah
  2. Masukkan kepekatan pangkal konjugat [A⁻] dalam mol/L (molar)

    • Ini biasanya adalah kepekatan bentuk garam (contohnya, natrium asetat)
  3. Masukkan kepekatan asid [HA] dalam mol/L (molar)

    • Ini adalah kepekatan asid yang tidak terdisosiasi (contohnya, asid asetik)
  4. Kalkulator akan secara automatik mengira pH menggunakan persamaan Henderson-Hasselbalch

    • Hasilnya dipaparkan dengan dua tempat perpuluhan untuk ketepatan
  5. Anda boleh menyalin hasil menggunakan butang salin untuk digunakan dalam laporan atau pengiraan lanjut

  6. Visualisasi kapasiti penampan menunjukkan bagaimana kapasiti penampan berbeza dengan pH, dengan kapasiti maksimum pada nilai pKa

Pengesahan Input

Kalkulator melakukan pemeriksaan berikut pada input pengguna:

  • Semua nilai mesti nombor positif
  • Nilai pKa mesti disediakan
  • Kedua-dua kepekatan asid dan pangkal konjugat mesti lebih besar daripada sifar

Jika input tidak sah dikesan, mesej ralat akan membimbing anda untuk membetulkan nilai sebelum pengiraan diteruskan.

Kes Penggunaan untuk Kalkulator Henderson-Hasselbalch

Persamaan Henderson-Hasselbalch dan kalkulator ini mempunyai pelbagai aplikasi di seluruh disiplin sains:

1. Penyediaan Penampan Makmal

Penyelidik sering perlu menyediakan larutan penampan dengan nilai pH tertentu untuk eksperimen. Menggunakan kalkulator Henderson-Hasselbalch:

  • Contoh: Untuk menyediakan penampan fosfat pada pH 7.2 menggunakan fosfat dengan pKa = 7.0:
    1. Masukkan pKa = 7.0
    2. Susun semula persamaan untuk mencari nisbah [A⁻]/[HA] yang diperlukan:
      • 7.2 = 7.0 + log([A⁻]/[HA])
      • log([A⁻]/[HA]) = 0.2
      • [A⁻]/[HA] = 10^0.2 = 1.58
    3. Pilih kepekatan dengan nisbah ini, seperti [A⁻] = 0.158 M dan [HA] = 0.100 M

2. Penyelidikan Biokimia

Sistem penampan adalah penting dalam biokimia untuk mengekalkan pH optimum bagi aktiviti enzim:

  • Contoh: Mengkaji enzim dengan aktiviti optimum pada pH 5.5 menggunakan penampan asetat (pKa = 4.76):
    1. Masukkan pKa = 4.76
    2. Kira nisbah yang diperlukan: [A⁻]/[HA] = 10^(5.5-4.76) = 10^0.74 = 5.5
    3. Sediakan penampan dengan [asetat] = 0.055 M dan [asid asetik] = 0.010 M

3. Formulasi Farmaseutikal

Kestabilan dan kelarutan ubat sering bergantung kepada mengekalkan keadaan pH tertentu:

  • Contoh: Ubat memerlukan pH 6.8 untuk kestabilan. Menggunakan penampan HEPES (pKa = 7.5):
    1. Masukkan pKa = 7.5
    2. Kira nisbah yang diperlukan: [A⁻]/[HA] = 10^(6.8-7.5) = 10^(-0.7) = 0.2
    3. Formulasikan dengan [HEPES⁻] = 0.02 M dan [HEPES] = 0.10 M

4. Analisis pH Darah

Sistem penampan bikarbonat adalah penampan pH utama dalam darah manusia:

  • Contoh: Menganalisis pH darah menggunakan sistem bikarbonat (pKa = 6.1):
    1. pH darah normal adalah sekitar 7.4
    2. Nisbah [HCO₃⁻]/[H₂CO₃] = 10^(7.4-6.1) = 10^1.3 = 20
    3. Ini menerangkan mengapa darah normal mempunyai kira-kira 20 kali lebih banyak bikarbonat daripada asid karbonik

5. Ujian Air Persekitaran

Badan air semula jadi mengandungi sistem penampan yang membantu mengekalkan keseimbangan ekologi:

  • Contoh: Menganalisis tasik dengan pH 6.5 yang mengandungi penampan karbonat (pKa = 6.4):
    1. Masukkan pKa = 6.4
    2. Nisbah [A⁻]/[HA] = 10^(6.5-6.4) = 10^0.1 = 1.26
    3. Ini menunjukkan sedikit lebih banyak spesies asas daripada asid, membantu menentang pengasidan

Alternatif kepada Persamaan Henderson-Hasselbalch

Walaupun persamaan Henderson-Hasselbalch digunakan secara meluas untuk pengiraan penampan, terdapat pendekatan alternatif untuk penentuan pH:

  1. Pengukuran pH Langsung: Menggunakan meter pH yang dikalibrasi memberikan bacaan pH sebenar berbanding nilai yang dikira, mengambil kira semua komponen larutan.

  2. Pengiraan Keseimbangan Penuh: Untuk sistem kompleks dengan pelbagai keseimbangan, menyelesaikan set lengkap persamaan keseimbangan mungkin diperlukan.

  3. Kaedah Numerik: Program komputer yang mengambil kira koefisien aktiviti, pelbagai keseimbangan, dan kesan suhu boleh memberikan ramalan pH yang lebih tepat untuk larutan tidak ideal.

  4. Kaedah Gran Plot: Kaedah grafikal ini boleh digunakan untuk menentukan titik akhir dalam titrasi dan mengira kapasiti penampan.

  5. Perisian Simulasi: Program seperti PHREEQC atau Visual MINTEQ boleh memodelkan keseimbangan kimia kompleks termasuk pH dalam sistem persekitaran dan geologi.

Sejarah Persamaan Henderson-Hasselbalch

Perkembangan persamaan Henderson-Hasselbalch mewakili satu pencapaian penting dalam pemahaman kita tentang kimia asid-basa dan larutan penampan.

Lawrence Joseph Henderson (1878-1942)

Pada tahun 1908, ahli bio-kimia dan fisiologi Amerika Lawrence J. Henderson pertama kali merumuskan hubungan matematik antara pH, pKa, dan nisbah pangkal konjugat kepada asid semasa mengkaji peranan asid karbonik/bikarbonat sebagai penampan dalam darah. Persamaan asal Henderson adalah:

[H+]=Ka×[HA][A][\text{H}^+] = \text{Ka} \times \frac{[\text{HA}]}{[\text{A}^-]}

Kerja Henderson adalah penting dalam menerangkan bagaimana darah mengekalkan pHnya walaupun terdapat penambahan produk metabolik asid yang berterusan.

Karl Albert Hasselbalch (1874-1962)

Pada tahun 1916, doktor dan ahli kimia Denmark Karl Albert Hasselbalch merumuskan semula persamaan Henderson menggunakan konsep pH yang baru dibangunkan (diperkenalkan oleh Sørensen pada tahun 1909) dan istilah logaritma, mencipta bentuk moden persamaan tersebut:

pH=pKa+log10([A][HA])\text{pH} = \text{pKa} + \log_{10}\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)

Sumbangan Hasselbalch menjadikan persamaan ini lebih praktikal untuk digunakan di makmal dan aplikasi klinikal, terutamanya dalam memahami pengawalan pH darah.

Evolusi dan Impak

Persamaan Henderson-Hasselbalch telah menjadi asas dalam kimia asid-basa, bio-kimia, dan fisiologi:

  • 1920-an-1930-an: Persamaan ini menjadi asas dalam memahami sistem penampan fisiologi dan gangguan asid-basa.
  • 1940-an-1950-an: Penggunaan meluas dalam penyelidikan bio-kimia apabila kepentingan pH dalam fungsi enzim diakui.
  • 1960-an-hingga kini: Penerapan dalam kimia analitik moden, sains farmaseutikal, dan kajian persekitaran.

Hari ini, persamaan ini tetap penting dalam bidang dari perubatan hingga sains persekitaran, membantu saintis merancang sistem penampan, memahami pengawalan pH fisiologi, dan menganalisis gangguan asid-basa dalam persekitaran klinikal.

Sistem Penampan Biasa dan Nilai pKa Mereka

Sistem PenampanpKaJulat pH BerkesanAplikasi Umum
Asid sitrik/Asetat3.13, 4.76, 6.402.1-7.4Pemeliharaan makanan, ujian bio-kimia
Asid asetik/Asetat4.763.8-5.8Bio-kimia, histologi
MES6.155.2-7.2Penyelidikan biologi
Fosfat2.12, 7.21, 12.326.2-8.2Kultur sel, kajian DNA
HEPES7.556.6-8.6Kultur sel, kajian protein
Tris8.067.1-9.1Biologi molekul, elektroforesis
Asid karbonik/Bikarbonat6.1, 10.325.1-7.1Penampan darah, kultur sel
Borat9.248.2-10.2Ekstraksi DNA, keadaan alkali
Glisin2.34, 9.608.6-10.6Kimia protein, elektroforesis

Contoh Kod

Berikut adalah pelaksanaan persamaan Henderson-Hasselbalch dalam pelbagai bahasa pengaturcaraan:

1' Formula Excel untuk persamaan Henderson-Hasselbalch
2=pKa + LOG10(base_concentration/acid_concentration)
3
4' Contoh dalam format sel:
5' A1: nilai pKa (contohnya, 4.76)
6' A2: Kepekatan pangkal [A-] (contohnya, 0.1)
7' A3: Kepekatan asid [HA] (contohnya, 0.05)
8' Formula dalam A4: =A1 + LOG10(A2/A3)
9

Soalan Lazim

Apa yang digunakan untuk persamaan Henderson-Hasselbalch?

Persamaan Henderson-Hasselbalch digunakan untuk mengira pH larutan penampan berdasarkan pKa asid dan kepekatan asid serta pangkal konjugatnya. Ia adalah penting untuk menyediakan larutan penampan dengan nilai pH tertentu dalam pengaturan makmal, memahami pengawalan pH fisiologi, dan menganalisis gangguan asid-basa dalam perubatan klinikal.

Bila larutan penampan paling berkesan?

Larutan penampan paling berkesan apabila pH berada dalam ±1 unit dari nilai pKa komponen asid. Dalam julat ini, terdapat jumlah yang signifikan dari kedua-dua asid dan pangkal konjugat yang hadir, membolehkan larutan menetralkan penambahan asid atau basa. Kapasiti penampan maksimum berlaku tepat pada pH = pKa, di mana [HA] = [A⁻].

Bagaimana saya memilih penampan yang betul untuk eksperimen saya?

Pilih penampan dengan nilai pKa yang dekat dengan pH yang diingini (sebaiknya dalam ±1 unit pH). Pertimbangkan faktor tambahan seperti:

  • Kestabilan suhu penampan
  • Keserasian dengan sistem biologi jika berkaitan
  • Gangguan minimum dengan proses kimia atau biologi yang sedang dikaji
  • Kelarutan minimum pada kepekatan yang diperlukan
  • Interaksi minimum dengan ion logam atau komponen lain dalam sistem anda

Bolehkah persamaan Henderson-Hasselbalch digunakan untuk asid poliprotik?

Ya, tetapi dengan pengubahsuaian. Untuk asid poliprotik (yang mempunyai pelbagai proton yang boleh disosiasi), setiap langkah disosiasi mempunyai nilai pKa sendiri. Persamaan Henderson-Hasselbalch boleh digunakan secara berasingan untuk setiap langkah disosiasi, mempertimbangkan spesies asid dan pangkal konjugat yang sesuai untuk langkah itu. Untuk sistem kompleks, mungkin perlu menyelesaikan pelbagai persamaan keseimbangan secara serentak.

Bagaimana suhu mempengaruhi pH penampan?

Suhu mempengaruhi pH penampan dalam beberapa cara:

  1. Nilai pKa asid berubah dengan suhu
  2. Ionisasi air (Kw) bergantung kepada suhu
  3. Koefisien aktiviti ion berbeza dengan suhu

Secara amnya, untuk kebanyakan penampan biasa, pH menurun apabila suhu meningkat. Kesan ini mesti dipertimbangkan apabila menyediakan penampan untuk aplikasi yang sensitif terhadap suhu. Beberapa penampan (seperti fosfat) lebih sensitif terhadap suhu daripada yang lain (seperti HEPES).

Apakah kapasiti penampan dan bagaimana ia dikira?

Kapasiti penampan (β) adalah ukuran ketahanan larutan penampan terhadap perubahan pH apabila asid atau basa ditambahkan. Ia ditakrifkan sebagai jumlah asid kuat atau basa yang diperlukan untuk mengubah pH sebanyak satu unit, dibahagikan dengan isipadu larutan penampan:

β=mol H+ atau OH ditambahkanperubahan pH×isipadu dalam liter\beta = \frac{\text{mol H}^+ \text{ atau OH}^- \text{ ditambahkan}}{\text{perubahan pH} \times \text{isipadu dalam liter}}

Secara teori, kapasiti penampan boleh dikira sebagai:

β=2.303×Ka×[HA]×[A](Ka+[H+])2\beta = 2.303 \times \frac{K_a \times [\text{HA}] \times [\text{A}^-]}{(K_a + [\text{H}^+])^2}

Kapasiti penampan adalah tertinggi apabila pH = pKa, di mana [HA] = [A⁻].

Bagaimana saya menyediakan penampan dengan pH tertentu menggunakan persamaan Henderson-Hasselbalch?

Untuk menyediakan penampan dengan pH tertentu:

  1. Pilih asid yang sesuai dengan pKa dekat dengan pH sasaran anda
  2. Susun semula persamaan Henderson-Hasselbalch untuk mencari nisbah pangkal konjugat kepada asid: [A⁻]/[HA] = 10^(pH-pKa)
  3. Tentukan kepekatan penampan total yang diperlukan
  4. Kira kepekatan individu asid dan pangkal menggunakan:
    • [A⁻] = (kepekatan total) × nisbah/(1+nisbah)
    • [HA] = (kepekatan total) × 1/(1+nisbah)
  5. Sediakan larutan dengan mencampurkan jumlah yang sesuai dari asid dan garamnya (pangkal konjugat)

Adakah kekuatan ionik mempengaruhi pengiraan Henderson-Hasselbalch?

Ya, kekuatan ionik mempengaruhi koefisien aktiviti ion dalam larutan, yang boleh mengubah nilai pKa berkesan dan pengiraan pH yang dihasilkan. Persamaan Henderson-Hasselbalch menganggap tingkah laku ideal, yang hanya benar dalam larutan cair yang dicairkan. Dalam larutan dengan kekuatan ionik tinggi, koefisien aktiviti harus dipertimbangkan untuk pengiraan yang lebih tepat. Ini adalah penting terutamanya dalam cecair biologi dan aplikasi industri di mana kekuatan ionik boleh menjadi signifikan.

Bolehkah persamaan Henderson-Hasselbalch digunakan untuk larutan yang sangat cair?

Persamaan ini tetap secara matematik sah untuk larutan cair, tetapi batasan praktikal muncul:

  1. Pada kepekatan yang sangat rendah, kekotoran boleh mempengaruhi pH dengan ketara
  2. Ionisasi diri air menjadi lebih penting
  3. Ketepatan pengukuran menjadi mencabar
  4. CO₂ dari udara boleh dengan mudah mempengaruhi larutan cair yang tidak ditampan dengan baik

Untuk larutan yang sangat cair (di bawah kira-kira 0.001 M), pertimbangkan faktor-faktor ini semasa mentafsir nilai pH yang dikira.

Bagaimana persamaan Henderson-Hasselbalch berkaitan dengan lengkung titrasi?

Persamaan Henderson-Hasselbalch menerangkan titik-titik sepanjang lengkung titrasi untuk asid atau basa lemah. Secara khusus:

  • Pada titik setengah kesetaraan titrasi, [A⁻] = [HA], dan pH = pKa
  • Kawasan penampan lengkung titrasi (bahagian yang lebih rata) sesuai dengan nilai pH dalam kira-kira ±1 unit dari pKa
  • Persamaan ini membantu meramalkan bentuk lengkung titrasi dan pH pada pelbagai titik semasa titrasi

Memahami hubungan ini adalah berharga untuk merancang eksperimen titrasi dan mentafsir data titrasi.

Rujukan

  1. Henderson, L.J. (1908). "Concerning the relationship between the strength of acids and their capacity to preserve neutrality." American Journal of Physiology, 21(2), 173-179.

  2. Hasselbalch, K.A. (1916). "Die Berechnung der Wasserstoffzahl des Blutes aus der freien und gebundenen Kohlensäure desselben, und die Sauerstoffbindung des Blutes als Funktion der Wasserstoffzahl." Biochemische Zeitschrift, 78, 112-144.

  3. Po, H.N., & Senozan, N.M. (2001). "The Henderson-Hasselbalch Equation: Its History and Limitations." Journal of Chemical Education, 78(11), 1499-1503.

  4. Good, N.E., et al. (1966). "Hydrogen Ion Buffers for Biological Research." Biochemistry, 5(2), 467-477.

  5. Beynon, R.J., & Easterby, J.S. (1996). "Buffer Solutions: The Basics." Oxford University Press.

  6. Martell, A.E., & Smith, R.M. (1974-1989). "Critical Stability Constants." Plenum Press.

  7. Ellison, S.L.R., & Williams, A. (2012). "Eurachem/CITAC Guide: Quantifying Uncertainty in Analytical Measurement." Edisi ke-3.

  8. Segel, I.H. (1976). "Biochemical Calculations: How to Solve Mathematical Problems in General Biochemistry." Edisi ke-2, John Wiley & Sons.

Cuba Kalkulator pH Henderson-Hasselbalch kami hari ini untuk menentukan pH larutan penampan anda dengan tepat untuk kerja makmal, penyelidikan, atau tujuan pendidikan. Memahami sistem penampan adalah penting untuk banyak disiplin sains, dan kalkulator kami menjadikan pengiraan ini mudah dan boleh diakses.