Beräkna pH-värdet för buffertlösningar genom att ange koncentrationer av syra och konjugerad bas. Använder Henderson-Hasselbalch-ekvationen för exakta resultat inom kemi och biokemi.
Buffert pH-kalkylatorn är ett oumbärligt verktyg för kemister, biokemister och studenter som arbetar med buffertlösningar. Denna kalkylator tillämpar Henderson-Hasselbalch-ekvationen för att bestämma pH för en buffertlösning baserat på koncentrationerna av en svag syra och dess konjugerade bas. Buffertlösningar är avgörande i laboratoriemiljöer, biologiska system och industriella processer där det är nödvändigt att upprätthålla en stabil pH. Vår användarvänliga kalkylator förenklar de komplexa beräkningarna som är involverade i att bestämma buffert pH, vilket möjliggör snabba och exakta resultat utan manuell beräkning.
En buffertlösning är en blandning som motstår förändringar i pH när små mängder syra eller bas tillsätts. Den består vanligtvis av en svag syra och dess konjugerade bas (eller en svag bas och dess konjugerade syra) i betydande koncentrationer. Denna kombination gör att lösningen kan neutralisera små tillskott av syror eller baser, vilket upprätthåller ett relativt stabilt pH.
Buffertlösningar fungerar på principen om Le Chateliers princip, som säger att när ett system i jämvikt störs, skiftar jämvikten för att motverka störningen. I buffertlösningar:
Effektiviteten hos en buffertlösning beror på:
Henderson-Hasselbalch-ekvationen är den matematiska grunden för att beräkna pH för buffertlösningar. Den relaterar pH för en buffert till pKa för den svaga syran och förhållandet mellan koncentrationerna av konjugerad bas och syra:
Där:
Denna ekvation härleds från syrans dissociationsjämvikt:
Den syradissociationskonstant (Ka) definieras som:
Genom att ta den negativa logaritmen av båda sidor och omarrangera:
För vår kalkylator använder vi ett pKa-värde på 7.21, vilket motsvarar fosfatbuffertsystemet (H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻) vid 25°C, ett av de mest använda buffertsystemen inom biokemi och laboratoriemiljöer.
Buffertkapacitet (β) kvantifierar en buffertlösnings motstånd mot pH-förändringar när syror eller baser tillsätts. Den är som högst när pH är lika med pKa för den svaga syran. Buffertkapaciteten kan beräknas med:
Där:
För ett praktiskt exempel, överväg vår fosfatbuffert med [HA] = 0.1 M och [A⁻] = 0.2 M:
Genom att sätta in dessa värden: β = (2.303 × 0.3 × 6.17 × 10⁻⁸ × 3.09 × 10⁻⁸) ÷ (6.17 × 10⁻⁸ + 3.09 × 10⁻⁸)² = 0.069 mol/L/pH
Detta innebär att tillsättning av 0.069 mol stark syra eller bas per liter skulle förändra pH med 1 enhet.
Vår buffert pH-kalkylator är utformad för enkelhet och användarvänlighet. Följ dessa steg för att beräkna pH för din buffertlösning:
Kalkylatorn kommer att visa:
Om du behöver utföra en annan beräkning kan du antingen:
För exakta resultat, se till att:
Kalkylatorn kommer att visa felmeddelanden om:
Låt oss gå igenom ett komplett exempel för att demonstrera hur buffert pH-kalkylatorn fungerar:
Exempel: Beräkna pH för en fosfatbuffertlösning som innehåller 0.1 M dihydrogenfosfat (H₂PO₄⁻, syraformen) och 0.2 M hydrogenfosfat (HPO₄²⁻, den konjugerade basformen).
Identifiera komponenterna:
Tillämpa Henderson-Hasselbalch-ekvationen:
Tolka resultatet:
Buffert pH-beräkningar är avgörande i många vetenskapliga och industriella tillämpningar:
Även om Henderson-Hasselbalch-ekvationen är den mest använda metoden för buffert pH-beräkningar, finns det alternativa tillvägagångssätt för specifika situationer:
Direkt pH-mätning: Att använda en kalibrerad pH-mätare ger den mest exakta pH-bestämningen, särskilt för komplexa blandningar.
Fullständiga jämviktsberäkningar: För mycket utspädda lösningar eller när flera jämvikter är involverade kan det vara nödvändigt att lösa hela uppsättningen av jämviktslikningar.
Numeriska metoder: Datorprogram som tar hänsyn till aktivitetskoefficienter och flera jämvikter kan ge mer exakta resultat för icke-ideala lösningar.
Empiriska tillvägagångssätt: I vissa industriella tillämpningar kan empiriska formler härledda från experimentella data användas istället för teoretiska beräkningar.
Beräkningar av buffertkapacitet: För att utforma buffertsystem kan beräkning av buffertkapacitet (β = dB/dpH, där B är mängden bas som tillsätts) vara mer användbart än enkla pH-beräkningar.
Förståelsen av buffertlösningar och deras matematiska beskrivning har utvecklats avsevärt under det senaste seklet:
Konceptet med kemisk buffring beskrevs först systematiskt av den franske kemisten Marcellin Berthelot i slutet av 1800-talet. Emellertid var det Lawrence Joseph Henderson, en amerikansk läkare och biokemist, som gjorde den första betydande matematiska analysen av buffertsysten 1908.
Henderson utvecklade den ursprungliga formen av vad som skulle bli Henderson-Hasselbalch-ekvationen medan han studerade rollen av koldioxid i regleringen av blodets pH. Hans arbete publicerades i en artikel med titeln "Concerning the relationship between the strength of acids and their capacity to preserve neutrality."
År 1916 omformulerade Karl Albert Hasselbalch, en dansk läkare och kemist, Hendersons ekvation med hjälp av pH-notation (införd av Sørensen 1909) istället för vätejonkoncentration. Denna logaritmiska form gjorde ekvationen mer praktisk för laboratorieanvändning och är den version vi använder idag.
Under 1900-talet blev Henderson-Hasselbalch-ekvationen en hörnsten inom syra-bas-kemi och biokemi:
Ekvationen förblir en av de mest viktiga och mest använda relationerna inom kemi, trots att den är över ett sekel gammal.
Här är implementationer av Henderson-Hasselbalch-ekvationen i olika programmeringsspråk:
1def calculate_buffer_ph(acid_concentration, base_concentration, pKa=7.21):
2 """
3 Beräkna pH för en buffertlösning med hjälp av Henderson-Hasselbalch-ekvationen.
4
5 Parametrar:
6 acid_concentration (float): Koncentration av syran i mol/L
7 base_concentration (float): Koncentration av den konjugerade basen i mol/L
8 pKa (float): Syrans dissociationskonstant (standard: 7.21 för fosfatbuffert)
9
10 Returnerar:
11 float: pH för buffertlösningen
12 """
13 import math
14
15 if acid_concentration <= 0 or base_concentration <= 0:
16 raise ValueError("Koncentrationerna måste vara positiva värden")
17
18 ratio = base_concentration / acid_concentration
19 pH = pKa + math.log10(ratio)
20
21 return round(pH, 2)
22
23# Exempel på användning
24try:
25 acid_conc = 0.1 # mol/L
26 base_conc = 0.2 # mol/L
27 pH = calculate_buffer_ph(acid_conc, base_conc)
28 print(f"Buffert pH: {pH}")
29except ValueError as e:
30 print(f"Fel: {e}")
311function calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa = 7.21) {
2 // Validera indata
3 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
4 throw new Error("Koncentrationerna måste vara positiva värden");
5 }
6
7 // Tillämpa Henderson-Hasselbalch-ekvationen
8 const ratio = baseConcentration / acidConcentration;
9 const pH = pKa + Math.log10(ratio);
10
11 // Rundar till 2 decimaler
12 return Math.round(pH * 100) / 100;
13}
14
15// Exempel på användning
16try {
17 const acidConc = 0.1; // mol/L
18 const baseConc = 0.2; // mol/L
19 const pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
20 console.log(`Buffert pH: ${pH}`);
21} catch (error) {
22 console.error(`Fel: ${error.message}`);
23}
241public class BufferPHCalculator {
2 private static final double DEFAULT_PKA = 7.21; // Standard pKa för fosfatbuffert
3
4 /**
5 * Beräknar pH för en buffertlösning med hjälp av Henderson-Hasselbalch-ekvationen
6 *
7 * @param acidConcentration Koncentration av syran i mol/L
8 * @param baseConcentration Koncentration av den konjugerade basen i mol/L
9 * @param pKa Syrans dissociationskonstant
10 * @return pH för buffertlösningen
11 * @throws IllegalArgumentException om koncentrationerna inte är positiva
12 */
13 public static double calculateBufferPH(double acidConcentration,
14 double baseConcentration,
15 double pKa) {
16 // Validera indata
17 if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
18 throw new IllegalArgumentException("Koncentrationerna måste vara positiva värden");
19 }
20
21 // Tillämpa Henderson-Hasselbalch-ekvationen
22 double ratio = baseConcentration / acidConcentration;
23 double pH = pKa + Math.log10(ratio);
24
25 // Rundar till 2 decimaler
26 return Math.round(pH * 100.0) / 100.0;
27 }
28
29 /**
30 * Överlagrad metod som använder standard pKa-värde
31 */
32 public static double calculateBufferPH(double acidConcentration,
33 double baseConcentration) {
34 return calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, DEFAULT_PKA);
35 }
36
37 public static void main(String[] args) {
38 try {
39 double acidConc = 0.1; // mol/L
40 double baseConc = 0.2; // mol/L
41 double pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
42 System.out.printf("Buffert pH: %.2f%n", pH);
43 } catch (IllegalArgumentException e) {
44 System.err.println("Fel: " + e.getMessage());
45 }
46 }
47}
481' Excel-funktion för buffert pH-beräkning
2Function BufferPH(acidConcentration As Double, baseConcentration As Double, Optional pKa As Double = 7.21) As Double
3 ' Validera indata
4 If acidConcentration <= 0 Or baseConcentration <= 0 Then
5 BufferPH = CVErr(xlErrValue)
6 Exit Function
7 End If
8
9 ' Tillämpa Henderson-Hasselbalch-ekvationen
10 Dim ratio As Double
11 ratio = baseConcentration / acidConcentration
12
13 BufferPH = pKa + Application.WorksheetFunction.Log10(ratio)
14
15 ' Rundar till 2 decimaler
16 BufferPH = Round(BufferPH, 2)
17End Function
18
19' Användning i Excel-cell: =BufferPH(0.1, 0.2)
201calculate_buffer_ph <- function(acid_concentration, base_concentration, pKa = 7.21) {
2 # Validera indata
3 if (acid_concentration <= 0 || base_concentration <= 0) {
4 stop("Koncentrationerna måste vara positiva värden")
5 }
6
7 # Tillämpa Henderson-Hasselbalch-ekvationen
8 ratio <- base_concentration / acid_concentration
9 pH <- pKa + log10(ratio)
10
11 # Rundar till 2 decimaler
12 return(round(pH, 2))
13}
14
15# Exempel på användning
16acid_conc <- 0.1 # mol/L
17base_conc <- 0.2 # mol/L
18tryCatch({
19 pH <- calculate_buffer_ph(acid_conc, base_conc)
20 cat(sprintf("Buffert pH: %.2f\n", pH))
21}, error = function(e) {
22 cat(sprintf("Fel: %s\n", e$message))
23})
241function pH = calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
2 % CALCULATEBUFFERPH Beräknar pH för en buffertlösning
3 % pH = CALCULATEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration)
4 % beräknar pH med hjälp av Henderson-Hasselbalch-ekvationen
5 %
6 % pH = CALCULATEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
7 % använder det angivna pKa-värdet istället för standard (7.21)
8
9 % Sätt standard pKa om det inte anges
10 if nargin < 3
11 pKa = 7.21; % Standard pKa för fosfatbuffert
12 end
13
14 % Validera indata
15 if acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0
16 error('Koncentrationerna måste vara positiva värden');
17 end
18
19 % Tillämpa Henderson-Hasselbalch-ekvationen
20 ratio = baseConcentration / acidConcentration;
21 pH = pKa + log10(ratio);
22
23 % Rundar till 2 decimaler
24 pH = round(pH * 100) / 100;
25end
26
27% Exempel på användning
28try
29 acidConc = 0.1; % mol/L
30 baseConc = 0.2; % mol/L
31 pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
32 fprintf('Buffert pH: %.2f\n', pH);
33catch ME
34 fprintf('Fel: %s\n', ME.message);
35end
36Här är flera exempel på buffert pH-beräkningar för olika koncentrationsförhållanden:
En buffertlösning är en blandning som motstår förändringar i pH när små mängder syra eller bas tillsätts. Den består vanligtvis av en svag syra och dess konjugerade bas (eller en svag bas och dess konjugerade syra) i betydande koncentrationer.
Henderson-Hasselbalch-ekvationen (pH = pKa + log([bas]/[syra])) relaterar pH för en buffertlösning till pKa för den svaga syran och förhållandet mellan koncentrationerna av konjugerad bas och syra. Den härleds från syrans dissociationsjämvikt och möjliggör enkla pH-beräkningar.
För maximal buffertkapacitet bör förhållandet mellan konjugerad bas och syra vara nära 1:1, vilket ger ett pH lika med pKa. Det effektiva buffertintervallet anses vanligtvis vara inom ±1 pH-enhet av pKa.
Välj en buffert med ett pKa nära ditt önskade pH (idealiskt inom ±1 pH-enhet). Överväg andra faktorer såsom temperaturstabilitet, kompatibilitet med ditt biologiska system eller reaktion, och minimal störning av analyser eller mätningar.
Ja, temperaturen påverkar både pKa för syran och joniseringen av vatten, vilket kan förändra pH för en buffertlösning. De flesta pKa-värden rapporteras vid 25°C, och betydande temperaturavvikelser kan kräva korrigeringsfaktorer.
Även om det är möjligt att blanda olika buffertsystem, rekommenderas det vanligtvis inte eftersom det komplicerar jämvikten och kan leda till oförutsägbart beteende. Det är bättre att välja ett enda buffertsystem med ett pKa nära ditt mål-pH.
Buffertkapacitet (β) är ett mått på en bufferts motstånd mot pH-förändringar när syra eller bas tillsätts. Den definieras som mängden syra eller bas som behövs för att ändra pH med en enhet, och den är som högst när pH = pKa. Den kan beräknas som β = 2.303 × C × (Ka × [H⁺]) / (Ka + [H⁺])², där C är den totala buffertkoncentrationen.
Beräkna det erforderliga förhållandet mellan konjugerad bas och syra med hjälp av Henderson-Hasselbalch-ekvationen omarrangerad som [bas]/[syra] = 10^(pH-pKa). Förbered sedan lösningar med de lämpliga koncentrationerna för att uppnå detta förhållande.
Avvikelser kan uppstå från faktorer som:
För polyprotoniska syror (syror med flera dissocierbara protoner) kan Henderson-Hasselbalch-ekvationen tillämpas på varje dissociationssteg separat, men endast om pKa-värdena är tillräckligt olika (vanligtvis >2 pH-enheter isär). Annars krävs mer komplexa jämviktsberäkningar.
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.
Good, Norman E., et al. "Hydrogen Ion Buffers for Biological Research." Biochemistry, vol. 5, nr 2, 1966, s. 467-477.
Beynon, Robert J., och J. S. Easterby. Buffer Solutions: The Basics. Oxford University Press, 1996.
Stoll, Vincent S., och John S. Blanchard. "Buffers: Principles and Practice." Methods in Enzymology, vol. 182, 1990, s. 24-38.
Perrin, D. D., och Boyd Dempsey. Buffers for pH and Metal Ion Control. Chapman and Hall, 1974.
Martell, Arthur E., och Robert M. Smith. Critical Stability Constants. Plenum Press, 1974-1989.
Ellison, Sparkle L., et al. "Buffer: A Guide to the Preparation and Use of Buffers in Biological Systems." Analytical Biochemistry, vol. 104, nr 2, 1980, s. 300-310.
Mohan, Chandra. Buffers: A Guide for the Preparation and Use of Buffers in Biological Systems. Calbiochem, 2003.
Upptäck fler verktyg som kan vara användbara för din arbetsflöde