Kalkulator kapacitete pufra | Brezplačno orodje za stabilnost pH

Kaj je puferska kapaciteta?

Puferska kapaciteta meri, kako dobro se raztopina upira spremembi pH, ko ji dodamo kislino ali bazo. Ta kalkulator izračuna pufersko kapaciteto iz koncentracije šibke kisline, koncentracije njene konjugirane baze in pKa kisline.

Pufer je raztopina, ki ohranja svoj pH skoraj nespremenjen, tudi ko vanjo vmešamo majhne količine kisline ali baze. To doseže s skupnim delovanjem šibke kisline in njene konjugirane baze. Šibka kislina je snov, ki v vodi le delno disociira in sprošča vodikove ione. Konjugirana baza je tisto, kar ostane od kisline, ko ta odda vodikov ion. Puferska kapaciteta, pogosto zapisana z grško črko β (beta), podaja vrednost, ki pove, kako močan je ta upor. Višji β pomeni, da lahko raztopina absorbira več kisline ali baze, preden se njen pH spremeni.

Formula za pufersko kapaciteto

Puferska kapaciteta raztopine je:

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

• β je puferska kapaciteta v mol/L·pH
• C je skupna koncentracija kisline in baze, seštetih skupaj, v mol/L
• Ka je konstanta disociacije kisline, vrednost, ki kaže, koliko šibka kislina disociira v vodi
• [H⁺] je koncentracija vodikovih ionov v raztopini, v mol/L

Ka je povezana s pKa z enačbo $K_a = 10⁻ᵖᴷᵃ$. Nižji pKa pomeni močnejšo kislino.

Kalkulator ne zahteva neposrednega vnosa pH. Namesto tega izračuna [H⁺] v raztopini iz razmerja med konjugirano bazo in šibko kislino z uporabo Henderson-Hasselbalchove enačbe [H⁺] = Ka × (koncentracija kisline ÷ koncentracija baze). Nato to vrednost [H⁺] vstavi v zgornjo formulo.

Ko sta koncentraciji kisline in baze enaki, je [H⁺] enak Ka, zato je pH enak pKa. To je tudi pH največje puferske kapacitete. Na tej točki se formula poenostavi v:

$\beta_{max} = \frac{2.303 \times C}{4}$

Če vstavimo [H⁺] = Ka × (kislina ÷ baza), se Ka izniči, zato se formula skrči v krajšo enakovredno obliko, ki uporablja le koncentraciji obeh snovi:

$\beta = \frac{2.303 \times [HA] \times [A^-]}{[HA] + [A^-]}$

To ima posledico, ki jo je mogoče zlahka spregledati. Izračunana kapaciteta se ob spremembi pKa ne spremeni. pKa določa, pri katerem pH je pufer, ne pa, kako veliko kapaciteto ima pri tem pH. V kalkulatorju pKa premakne graf v levo ali desno, vendar glavne vrednosti ne spremeni.

Kako izračunati pufersko kapaciteto

1. Seštejte koncentracijo šibke kisline in koncentracijo konjugirane baze, da dobite skupno koncentracijo C.
2. Pretvorite pKa v Ka z uporabo enačbe $K_a = 10⁻ᵖᴷᵃ$.
3. Izračunajte [H⁺] iz razmerja med koncentracijama: [H⁺] = Ka × (kislina ÷ baza).
4. V formulo za pufersko kapaciteto vstavite C, Ka in [H⁺].

Rešen primer

Oglejmo si pufer, pripravljen iz 0,1 mol/L šibke kisline in 0,1 mol/L njene konjugirane baze, s pKa 4,76 (blizu vrednosti za ocetno kislino). To je vgrajeni primer v kalkulatorju.

• Skupna koncentracija: C = 0,1 + 0,1 = 0,2 mol/L
• $K_a = 10⁻⁴·⁷⁶$
• Ker sta koncentraciji kisline in baze enaki, je [H⁺] = Ka, zato je pH = pKa
• β = 2,303 × 0,2 ÷ 4 = 0,115150 mol/L·pH

Puferska kapaciteta je hitrost, ne skupna količina. β pove, koliko molov močne kisline ali baze na liter je potrebnih za enoto spremembe pH pri trenutnem pH. V bližini pH 4,76 ta pufer za prvo desetino pH-enote premika potrebuje približno 0,0115 mola na liter (0,115150 × 0,1). Premik pH za celo enoto zahteva manj kot 0,1152 mola na liter, ker se β z oddaljevanjem pH od pKa zmanjšuje.

Drugi primer

Trisov pufer, pogost v molekularni biologiji, ima pKa približno 8,1. Pri 0,05 mol/L kislinske oblike in 0,05 mol/L bazične oblike (skupaj 0,1 mol/L) sta koncentraciji enaki, zato je pH znova enak pKa.

β = 2,303 × 0,1 ÷ 4 = 0,057575 mol/L·pH oziroma približno 0,0576 mol/L·pH.

Pufer z nižjo skupno koncentracijo ima pri vseh drugih enakih pogojih nižjo kapaciteto. Podvojitev skupne koncentracije podvoji pufersko kapaciteto.

Kaj vpliva na pufersko kapaciteto

Skupna koncentracija. Puferska kapaciteta narašča premo sorazmerno s skupno koncentracijo. Večina laboratorijskih pufrov uporablja 50 do 200 mmol/L, pri čemer usklajuje zadostno kapaciteto s stroški in neželenimi učinki soli.

Razlika med pH in pKa. Kapaciteta je največja, ko je pH enak pKa, in se z oddaljevanjem od te vrednosti hitro zmanjšuje. Pri približno 2 pH-enotah od pKa se kapaciteta zmanjša na manj kot desetino največje vrednosti. Pogosto pravilo je, da izberemo pufer s pKa znotraj ene pH-enote potrebnega pH.

Temperatura. Vrednosti pKa se s temperaturo spreminjajo. pKa Trisovega pufra se zniža za približno 0,03 enote na stopinjo Celzija, zato se pufer, pripravljen pri 25 °C, pri 37 °C obnaša drugače.

Ionska jakost. Visoke koncentracije soli spremenijo efektivno aktivnost ionov v raztopini, zaradi česar je lahko dejanska puferska kapaciteta nižja od izračunane. Učinek se povečuje s količino raztopljene soli.

Več kislinskih skupin. Kisline z več kot enim disociabilnim protonom, kot je fosforjeva kislina, imajo več vrednosti pKa in bolj zapleteno krivuljo kapacitete. Ta kalkulator predpostavlja en sam kislinsko-bazni par.

Graf pod rezultatom prikazuje β v odvisnosti od pH v območju štirih pH-enot na vsaki strani pKa, pri čemer uporablja polno formulo s pH kot spremenljivko. Najvišjo vrednost doseže pri pH = pKa in je glede na to točko simetričen.

Pogoste uporabe

Izračuni puferske kapacitete se uporabljajo na več področjih:

• Biokemija. Encimi pogosto delujejo le v ozkem območju pH, zato morajo pufri preprečevati spremembe pH, ki jih povzročajo reakcije s sproščanjem ali vezavo protonov.
• Farmacevtsko formuliranje. Zdravila za injiciranje potrebujejo dovolj močan pufer, da med shranjevanjem ohranja pH, vendar ne tako koncentriran, da bi povzročal bolečino na mestu injiciranja.
• Ekologija. Jezera in tla imajo naravno pufersko kapaciteto zaradi raztopljenih mineralov, kot je karbonat. Nizka puferska kapaciteta jezero bolj izpostavlja kislemu dežju.
• Klinična kemija. pH krvi se deloma ohranja blizu 7,4 zaradi bikarbonatnega puferskega sistema, skupaj z delovanjem pljuč in ledvic.

Omejitve tega kalkulatorja

Formula predpostavlja idealno, razredčeno raztopino z enim kislinsko-baznim parom. Uporablja koncentracije, medtem ko stroga teorija uporablja aktivnosti, zato je lahko dejansko izmerjena kapaciteta nižja od izračunane; razlika se povečuje z naraščanjem vsebnosti soli. Pri pufrih z več disociabilnimi protoni ali pri zelo koncentriranih oziroma zelo razredčenih raztopinah je neposredno merjenje zanesljivejše od samega izračuna.

Pogosta vprašanja

Kaj je puferska kapaciteta? Puferska kapaciteta je število molov močne kisline ali baze na liter, potrebnih za spremembo pH raztopine za eno enoto pri pH, ki ga ima trenutno. Njena enota je mol/L·pH. Ker se kapaciteta sama spreminja s spreminjanjem pH, gre za hitrost v določeni točki, ne za stalno razpoložljivo količino.

Pri katerem pH je puferska kapaciteta največja? Puferska kapaciteta je največja, ko je pH raztopine enak pKa njene šibke kisline. Takrat sta kislina in konjugirana baza prisotni v enakih količinah.

Ali je puferska kapaciteta enaka moči pufra? Ne povsem. Moč pufra se običajno nanaša na skupno koncentracijo kisline in baze v raztopini. Puferska kapaciteta je odvisna od te koncentracije in od tega, kako blizu je pH vrednosti pKa.

Ali je lahko puferska kapaciteta negativna? Ne. Puferska kapaciteta je vedno pozitivna, saj predstavlja količino kisline ali baze, potrebno za premik pH, ne pa smeri spremembe.

Kako povečati kapaciteto pufra, ne da bi spremenili njegov pH? Povečajte koncentraciji kisline in baze za isti faktor, pri čemer ohranite njuno razmerje. S tem povečate skupno koncentracijo in kapaciteto, pH pa ostane nespremenjen.

Zakaj se kapaciteta daleč od pKa zmanjša? Daleč od pKa postane ena od oblik kislinsko-baznega para redka. Ker je je za reakcijo ostalo malo, lahko dodana kislina ali baza nevtralizira manj snovi, zato se pH pri enaki količini dodatka hitreje spremeni.

Viri

1. Van Slyke, D. D. (1922). O merjenju puferskih vrednosti. Journal of Biological Chemistry, 52, 525-570.
2. Po, H. N., in Senozan, N. M. (2001). Henderson-Hasselbalchova enačba: zgodovina in omejitve. Journal of Chemical Education, 78(11), 1499-1503.
3. Good, N. E. in sod. (1966). Vodikovi ionski pufri za biološke raziskave. Biochemistry, 5(2), 467-477.
4. NIST Chemistry WebBook. Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo.
5. Harris, D. C. (2010). Kvantitativna kemijska analiza (8. izd.). W. H. Freeman and Company.