Kalkulator pH pufera - Brezplačno orodje Henderson-Hasselbalch

Kaj je kalkulator pH pufra?

Kalkulator pH pufra določi pH pufrske raztopine iz koncentracij šibke kisline in njene konjugirane baze. To orodje izračuna pH fosfatnega pufra, mešanice dihidrogenfosfata (H₂PO₄⁻) in hidrogenfosfata (HPO₄²⁻), ki se pogosto uporablja v laboratorijih za ohranjanje raztopine blizu fiziološkega pH. Uporablja Henderson-Hasselbalchovo enačbo s stalnim pKa 7,21.

Kaj je pufrska raztopina?

Pufrska raztopina se upira spremembam pH, ko ji dodamo majhne količine kisline ali baze. V raztopini skupaj vsebuje šibko kislino in njeno konjugirano bazo, običajno v podobnih količinah. Vsaka sestavina ima svojo vlogo. Ko dodamo kislino, konjugirana baza veže odvečne vodikove ione. Ko dodamo bazo, šibka kislina sprošča vodikove ione in jo nevtralizira. pH se spremeni le malo, namesto da bi močno zanihal.

Pufri so pomembni, ker številni kemijski in biološki procesi delujejo le v ozkem območju pH. Kri na primer zaradi pufrskih sistemov v telesu, vključno s tukaj opisanim fosfatnim pufrom, ostaja blizu pH 7,4.

Pufrska raztopina najbolje deluje, ko sta količini kisline in baze približno enaki. Uporabno območje je na splošno od ene pH-enote pod pKa kisline do ene pH-enote nad njim.

Henderson-Hasselbalchova enačba

Henderson-Hasselbalchova enačba poda pH pufra iz njegovega pKa in razmerja konjugirane baze proti kislini:

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

• pH meri kislost oziroma bazičnost raztopine.
• pKa je stalno število za dano kislino, ki kaže, kako močno zadržuje svoj vodikov ion. Nižji pKa pomeni močnejšo kislino.
• [A⁻] je koncentracija konjugirane baze v molih na liter (M).
• [HA] je koncentracija šibke kisline v molih na liter (M).

Enačba izhaja iz ravnotežja pri razcepljanju šibke kisline na vodikov ion in njeno konjugirano bazo:

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

Konstanta disociacije kisline Ka opisuje to ravnotežje: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Če na obeh straneh uporabimo negativni logaritem z osnovo 10 in izraz preuredimo, dobimo zgornjo Henderson-Hasselbalchovo enačbo.

Ta kalkulator uporablja pKa = 7,21, vrednost za drugo disociacijo fosforjeve kisline (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) pri 25 °C. Ta pKa je blizu fiziološkemu pH, zato je fosfatni par standardni pufer v biokemiji. pKa je stalna vrednost; orodje ne sprejema poljubnega pKa za druge kisline.

Kako izračunati pH pufra

1. Vnesite koncentracijo kisline, [H₂PO₄⁻], v molarnih enotah (M).
2. Vnesite koncentracijo konjugirane baze, [HPO₄²⁻], v molarnih enotah (M).
3. Izberite »Izračunaj pH«.
4. V rezultatih odčitajte pH in prikazano oceno učinkovitosti pufra.

Obe koncentraciji morata biti pozitivni števili. Če polje ostane prazno, kalkulator zahteva obe vrednosti. Če je število nič ali negativno, izpiše, da morata biti koncentraciji pozitivni.

Ocena učinkovitosti pufra

Kalkulator poroča tudi, kako dobro bo pufer ohranjal svoj pH, na podlagi razlike med izračunanim pH in pKa (7,21):

• Odlično: razlika je največ 1,0 pH-enote.
• Dobro: razlika je med 1,0 in 2,0 pH-enotama.
• Slabo: razlika je večja od 2,0 pH-enot.

To se ujema s splošnim pravilom, da pufer najbolje deluje znotraj ene pH-enote od svojega pKa.

Rešen primer

Izračunajte pH fosfatnega pufra, pripravljenega iz 0,1 M H₂PO₄⁻ (kisline) in 0,2 M HPO₄²⁻ (konjugirane baze).

1. pKa = 7,21
2. Razmerje baze proti kislini = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

pH pufra je 7,51. Ker je od pKa oddaljen le 0,30 enote, kalkulator učinkovitost tega pufra oceni kot odlično.

Več primerov

Za drugo vrstico: pH = 7,21 + log₁₀(0,25) = 7,21 − 0,60 = 6,61. Za tretjo vrstico: pH = 7,21 + log₁₀(50) = 7,21 + 1,70 = 8,91.

Pufrska kapaciteta

Pufrska kapaciteta (β) meri, koliko močne kisline ali baze lahko pufer absorbira, preden se njegov pH spremeni za eno enoto. Največja je, ko je pH enak pKa, manjša pa je, čim bolj pH odstopa od pKa. Izračunamo jo lahko tako:

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

kjer je C skupna koncentracija pufra ([HA] + [A⁻]), Ka konstanta disociacije kisline, [H⁺] pa koncentracija vodikovih ionov.

Z uporabo zgornjega izračunanega primera (0,1 M kisline, 0,2 M baze, 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)

To pomeni, da bi približno 0,154 molov močne kisline ali baze na liter spremenilo pH tega pufra za eno enoto. Pri enaki skupni koncentraciji (0,3 M), vendar s pH natanko pri pKa, bi kapaciteta dosegla približno 0,173 mol/(L·pH).

Pogoste uporabe

• Laboratorijske raziskave: ohranjanje stabilnega pH pri encimskih in beljakovinskih testih.
• Celične kulture: vzdrževanje fiziološkega pH, blizu 7,4, za žive celice.
• Farmacevtske formulacije: stabilizacija raztopin zdravil in nadzor topnosti.
• Klinične raztopine: prilagajanje intravenskih tekočin in dializnih raztopin pH-vrednosti krvi.
• Testiranje hrane in vode: spremljanje pH v proizvodnih in okoljskih vzorcih.

Zgodovina

Ameriški zdravnik in biokemik Lawrence Joseph Henderson je leta 1908 objavil prvi kvantitativni opis vedenja pufrov v krvi. Leta 1916 je danski znanstvenik Karl Albert Hasselbalch Hendersonovo enačbo preoblikoval z uporabo pH, zapisa, ki ga je leta 1909 uvedel Søren Sørensen. Ta logaritemska različica je Henderson-Hasselbalchova enačba, ki se uporablja danes, in ostaja standardno orodje v kemiji in biokemiji več kot stoletje pozneje.

Pogosta vprašanja

Kaj je pufrska raztopina? Mešanica šibke kisline in njene konjugirane baze, ki se upira spremembam pH, ko ji dodamo majhne količine kisline ali baze.

Kateri pKa uporablja ta kalkulator? Uporablja stalni pKa 7,21, drugo konstanto disociacije fosforjeve kisline. Ne sprejema poljubnega pKa, zato modelira le fosfatni pufrski par.

Ali lahko ta kalkulator uporabim za druge pufre, na primer acetatnega? Ne neposredno. Druge kisline imajo drugačne vrednosti pKa (pKa ocetne kisline je približno 4,76), to orodje pa vedno računa s 7,21. Za drug pufrski sistem ročno uporabite Henderson-Hasselbalchovo enačbo s pKa te kisline.

Katero razmerje kisline in baze zagotavlja najboljši pufer? Razmerje blizu 1:1 zagotavlja največjo odpornost proti spremembi pH, saj je tako pH enak pKa.

Kaj je pufrska kapaciteta? To je količina močne kisline ali baze v molih na liter, potrebna za spremembo pH pufra za eno enoto. Največja je, ko je pH enak pKa.

Ali temperatura spreminja pH pufra? Da. Vrednosti pKa se s temperaturo spreminjajo, večina objavljenih vrednosti pKa, vključno z vrednostjo 7,21 za fosfat, pa velja pri 25 °C.

Viri

1. Po, Henry N., in N. M. Senozan. »Henderson-Hasselbalchova enačba: njena zgodovina in omejitve.« Journal of Chemical Education, letnik 78, št. 11, 2001, str. 1499-1503.
2. Good, Norman E. idr. »Vodikovi ionski pufri za biološke raziskave.« Biochemistry, letnik 5, št. 2, 1966, str. 467-477.
3. Beynon, Robert J., in J. S. Easterby. Pufrske raztopine: osnove. Oxford University Press, 1996.