Buffer pH-kalkylator - Gratis Henderson-Hasselbalch-verktyg

Vad är en buffert-pH-kalkylator?

En buffert-pH-kalkylator beräknar pH-värdet för en buffertlösning utifrån koncentrationerna av en svag syra och dess konjugerade bas. Verktyget beräknar pH-värdet för en fosfatbuffert, en blandning av dihydrogenfosfat (H₂PO₄⁻) och vätefosfat (HPO₄²⁻) som ofta används i laboratorier för att hålla en lösning nära fysiologiskt pH. Det använder Henderson–Hasselbalch-ekvationen med ett fast pKa-värde på 7,21.

Vad är en buffertlösning?

En buffertlösning motverkar förändringar i pH när små mängder syra eller bas tillsätts. Den innehåller en svag syra och dess konjugerade bas tillsammans i lösningen, vanligtvis i ungefär lika stora mängder. Varje del har en uppgift. När syra tillsätts tar den konjugerade basen upp de extra vätejonerna. När bas tillsätts avger den svaga syran vätejoner som neutraliserar den. pH-värdet förändras bara lite i stället för att svänga kraftigt.

Buffertar är viktiga eftersom många kemiska och biologiska processer bara fungerar inom ett smalt pH-intervall. Blod har till exempel ett pH nära 7,4 tack vare buffertsystem i kroppen, däribland fosfatbufferten som beskrivs här.

En buffert fungerar bäst när mängderna syra och bas är ungefär lika stora. Det användbara intervallet är i allmänhet syrans pKa plus eller minus en pH-enhet.

Henderson–Hasselbalch-ekvationen

Henderson–Hasselbalch-ekvationen ger pH-värdet för en buffert utifrån dess pKa och förhållandet mellan konjugerad bas och syra:

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

• pH anger hur sur eller basisk lösningen är.
• pKa är ett fast tal för en viss syra som visar hur starkt den håller fast vid sin vätejon. Ett lägre pKa innebär en starkare syra.
• [A⁻] är koncentrationen av den konjugerade basen, i mol per liter (M).
• [HA] är koncentrationen av den svaga syran, i mol per liter (M).

Ekvationen bygger på jämvikten när en svag syra spjälkas till en vätejon och sin konjugerade bas:

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

Syradissociationskonstanten, Ka, beskriver denna jämvikt: Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]. Om man tar den negativa bas-10-logaritmen av båda leden och omformar uttrycket får man Henderson–Hasselbalch-ekvationen ovan.

Den här kalkylatorn använder pKa = 7,21, värdet för den andra dissociationen av fosforsyra (H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻) vid 25 °C. Detta pKa ligger nära fysiologiskt pH, vilket är anledningen till att fosfatparet är en standardbuffert inom biokemin. pKa-värdet är fast; verktyget tar inte emot ett anpassat pKa-värde för andra syror.

Så beräknas buffertens pH

1. Ange syrakoncentrationen, [H₂PO₄⁻], i molar enhet (M).
2. Ange koncentrationen av den konjugerade basen, [HPO₄²⁻], i molar enhet (M).
3. Välj ”Beräkna pH”.
4. Läs av pH-värdet och bedömningen av buffertens effektivitet i resultatet.

Båda koncentrationerna måste vara positiva tal. Om ett fält lämnas tomt ber kalkylatorn om båda värdena. Om ett tal är noll eller negativt anger den att koncentrationerna måste vara positiva.

Bedömning av buffertens effektivitet

Kalkylatorn anger också hur väl bufferten kommer att hålla sitt pH-värde, baserat på avståndet mellan det beräknade pH-värdet och pKa (7,21):

• Utmärkt: skillnaden är 1,0 pH-enhet eller mindre.
• Bra: skillnaden ligger mellan 1,0 och 2,0 pH-enheter.
• Dålig: skillnaden är större än 2,0 pH-enheter.

Detta stämmer med den allmänna regeln att en buffert fungerar bäst inom en pH-enhet från sitt pKa.

Räkneexempel

Beräkna pH-värdet för en fosfatbuffert som består av 0,1 M H₂PO₄⁻ (syran) och 0,2 M HPO₄²⁻ (den konjugerade basen).

1. pKa = 7,21
2. Förhållandet mellan bas och syra = 0,2 / 0,1 = 2
3. pH = 7,21 + log₁₀(2)
4. log₁₀(2) ≈ 0,301
5. pH = 7,21 + 0,301 = 7,51

Buffertens pH är 7,51. Eftersom detta bara ligger 0,30 enheter från pKa bedömer kalkylatorn buffertens effektivitet som utmärkt.

Fler exempel

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

Buffertkapacitet

Buffertkapacitet (β) anger hur mycket stark syra eller bas en buffert kan absorbera innan pH-värdet förändras med en enhet. Den är störst när pH är lika med pKa och mindre ju längre pH-värdet avviker från pKa. Ett sätt att beräkna den är:

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

där C är den totala buffertkoncentrationen ([HA] + [A⁻]), Ka är syradissociationskonstanten och [H⁺] är vätejonkoncentrationen.

Med hjälp av räkneexemplet ovan (0,1 M syra, 0,2 M bas, 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)

Det innebär att ungefär 0,154 mol stark syra eller bas per liter skulle förändra buffertens pH med en enhet. Vid samma totala koncentration (0,3 M), men med pH exakt vid pKa, skulle kapaciteten nå ett maximum på ungefär 0,173 mol/(L·pH).

Vanliga användningsområden

• Laboratorieforskning: att hålla enzym- och proteinanalyser vid ett stabilt pH.
• Cellodling: att hålla fysiologiskt pH, nära 7,4, för levande celler.
• Farmaceutisk formulering: att stabilisera läkemedelslösningar och kontrollera lösligheten.
• Kliniska lösningar: att anpassa intravenösa vätskor och dialyslösningar till blodets pH.
• Livsmedels- och vattentestning: att övervaka pH i produktions- och miljöprover.

Historia

Den amerikanske läkaren och biokemisten Lawrence Joseph Henderson publicerade den första kvantitativa beskrivningen av buffertars beteende i blod år 1908. År 1916 omarbetade den danske forskaren Karl Albert Hasselbalch Hendersons ekvation med hjälp av pH, en notation som introducerades av Søren Sørensen år 1909. Den logaritmiska versionen är Henderson–Hasselbalch-ekvationen som används i dag och är fortfarande ett standardverktyg inom kemi och biokemi mer än ett århundrade senare.

Vanliga frågor

Vad är en buffertlösning? En blandning av en svag syra och dess konjugerade bas som motverkar pH-förändringar när små mängder syra eller bas tillsätts.

Vilket pKa-värde använder den här kalkylatorn? Den använder ett fast pKa-värde på 7,21, den andra dissociationskonstanten för fosforsyra. Den tar inte emot ett anpassat pKa-värde och modellerar därför endast fosfatbuffertparet.

Kan jag använda den här kalkylatorn för andra buffertar, till exempel acetat? Inte direkt. Andra syror har andra pKa-värden (ättiksyras pKa är ungefär 4,76), och det här verktyget räknar alltid med 7,21. För ett annat buffersystem kan Henderson–Hasselbalch-ekvationen tillämpas manuellt med den syrans pKa-värde.

Vilket förhållande mellan syra och bas ger den bästa bufferten? Ett förhållande nära 1:1 ger störst motstånd mot pH-förändringar, eftersom det gör pH lika med pKa.

Vad är buffertkapacitet? Det är den mängd stark syra eller bas, i mol per liter, som krävs för att förändra en bufferts pH med en enhet. Den är störst när pH är lika med pKa.

Förändrar temperaturen buffertens pH? Ja. pKa-värden förändras med temperaturen, och de flesta publicerade pKa-värden, inklusive 7,21 för fosfat, gäller vid 25 °C.

Referenser

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