Buffer pH Calculator

Introduction

Buffer pH Calculator เป็นเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับนักเคมี นักชีวเคมี และนักเรียนที่ทำงานกับสารละลายบัฟเฟอร์ เครื่องคำนวณนี้ใช้สมการ Henderson-Hasselbalch เพื่อกำหนด pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ตามความเข้มข้นของกรดอ่อนและเบสคู่ของมัน สารละลายบัฟเฟอร์มีความสำคัญในสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการ ระบบชีวภาพ และกระบวนการอุตสาหกรรมที่การรักษา pH ที่เสถียรมีความจำเป็น เครื่องคำนวณที่ใช้งานง่ายของเราช่วยให้การคำนวณที่ซับซ้อนในการกำหนด pH ของบัฟเฟอร์เป็นเรื่องง่ายและแม่นยำโดยไม่ต้องคำนวณด้วยมือ

What is a Buffer Solution?

สารละลายบัฟเฟอร์คือส่วนผสมที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลง pH เมื่อมีการเพิ่มกรดหรือเบสในปริมาณเล็กน้อย โดยทั่วไปจะประกอบด้วยกรดอ่อนและเบสคู่ของมัน (หรือเบสอ่อนและกรดคู่ของมัน) ในความเข้มข้นที่สำคัญ การรวมกันนี้ช่วยให้สารละลายสามารถทำให้กรดหรือเบสที่เพิ่มเข้ามามีผลกระทบต่อ pH น้อยที่สุด

สารละลายบัฟเฟอร์ทำงานตามหลักการของหลักการ Le Chatelier ซึ่งระบุว่าเมื่อระบบที่อยู่ในสมดุลถูกทำให้รบกวน สมดุลจะเปลี่ยนไปเพื่อตอบโต้การรบกวน ในสารละลายบัฟเฟอร์:

เมื่อมีการเพิ่มกรด (H⁺) ในปริมาณเล็กน้อย ส่วนประกอบของเบสคู่จะทำปฏิกิริยากับไอออนไฮโดรเจนเหล่านี้เพื่อลดการเปลี่ยนแปลง pH
เมื่อมีการเพิ่มเบส (OH⁻) ในปริมาณเล็กน้อย ส่วนประกอบของกรดอ่อนจะให้ไอออนไฮโดรเจนเพื่อทำให้ไฮดรอกไซด์ไอออนเป็นกลาง

ความสามารถของสารละลายบัฟเฟอร์ขึ้นอยู่กับ:

อัตราส่วนของเบสคู่ต่อกรดอ่อน
ความเข้มข้นสัมบูรณ์ของส่วนประกอบ
pKa ของกรดอ่อน
ช่วง pH ที่ต้องการ (บัฟเฟอร์ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อ pH ≈ pKa ± 1)

pH = pKa + log([A⁻]/[HA])

HA (กรด) A⁻ (เบสคู่) pH Scale กรด เบส pKa

Legend: กรด (HA) เบสคู่ (A⁻)

The Henderson-Hasselbalch Equation

สมการ Henderson-Hasselbalch เป็นพื้นฐานทางคณิตศาสตร์สำหรับการคำนวณ pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ มันเชื่อมโยง pH ของบัฟเฟอร์กับ pKa ของกรดอ่อนและอัตราส่วนของความเข้มข้นของเบสคู่ต่อกรด:

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

โดยที่:

pH คือ ลอการิธึมเชิงลบของความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจน
pKa คือ ลอการิธึมเชิงลบของค่าคงที่การแตกตัวของกรด
[A⁻] คือ ความเข้มข้นโมลาร์ของเบสคู่
[HA] คือ ความเข้มข้นโมลาร์ของกรดอ่อน

สมการนี้ได้มาจากสมดุลการแตกตัวของกรด:

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

ค่าคงที่การแตกตัวของกรด (Ka) ถูกกำหนดว่า:

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

การนำลอการิธึมเชิงลบของทั้งสองด้านและการจัดเรียงใหม่:

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

สำหรับเครื่องคำนวณของเรา เราใช้ค่า pKa ที่ 7.21 ซึ่งสัมพันธ์กับระบบบัฟเฟอร์ฟอสเฟต (H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻) ที่ 25°C ซึ่งเป็นหนึ่งในระบบบัฟเฟอร์ที่ใช้กันมากที่สุดในชีวเคมีและสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการ

Buffer Capacity Calculation

ความสามารถของบัฟเฟอร์ (β) วัดความต้านทานของสารละลายบัฟเฟอร์ต่อการเปลี่ยนแปลง pH เมื่อมีการเพิ่มกรดหรือเบส มันจะสูงสุดเมื่อ pH เท่ากับ pKa ของกรดอ่อน ความสามารถของบัฟเฟอร์สามารถคำนวณได้โดยใช้:

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

โดยที่:

β คือ ความสามารถของบัฟเฟอร์
C คือ ความเข้มข้นรวมของส่วนประกอบบัฟเฟอร์ ([HA] + [A⁻])
Ka คือ ค่าคงที่การแตกตัวของกรด
[H⁺] คือ ความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจน

สำหรับตัวอย่างปฏิบัติ ให้พิจารณาบัฟเฟอร์ฟอสเฟตของเราที่มี [HA] = 0.1 M และ [A⁻] = 0.2 M:

ความเข้มข้นรวม C = 0.1 + 0.2 = 0.3 M
Ka = 10⁻⁷·²¹ = 6.17 × 10⁻⁸
ที่ pH 7.51, [H⁺] = 10⁻⁷·⁵¹ = 3.09 × 10⁻⁸

การแทนค่าลงในสูตร: 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

ซึ่งหมายความว่าการเพิ่มกรดหรือเบสที่แข็งแกร่ง 0.069 โมลต่อหนึ่งลิตรจะเปลี่ยน pH ให้แตกต่างไป 1 หน่วย

How to Use the Buffer pH Calculator

เครื่องคำนวณ Buffer pH ของเราออกแบบมาเพื่อความเรียบง่ายและใช้งานง่าย ทำตามขั้นตอนเหล่านี้เพื่อคำนวณ pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ของคุณ:

ป้อนความเข้มข้นของกรด ในช่องป้อนข้อมูลแรก (ในหน่วยโมลาร์, M)
ป้อนความเข้มข้นของเบสคู่ ในช่องป้อนข้อมูลที่สอง (ในหน่วยโมลาร์, M)
เลือกป้อนค่า pKa ที่กำหนดเอง หากคุณกำลังทำงานกับระบบบัฟเฟอร์อื่นนอกเหนือจากฟอสเฟต (ค่า pKa เริ่มต้น = 7.21)
คลิกที่ปุ่ม "Calculate pH" เพื่อทำการคำนวณ
ดูผลลัพธ์ ที่แสดงในส่วนผลลัพธ์

เครื่องคำนวณจะแสดง:

ค่าที่คำนวณได้ของ pH
การแสดงภาพของสมการ Henderson-Hasselbalch พร้อมค่าที่คุณป้อน

หากคุณต้องการทำการคำนวณอีกครั้ง คุณสามารถ:

คลิกที่ปุ่ม "Clear" เพื่อล้างข้อมูลทั้งหมด
เปลี่ยนค่าป้อนข้อมูลและคลิก "Calculate pH" อีกครั้ง

Input Requirements

เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ ให้แน่ใจว่า:

ค่าทั้งสองต้องเป็นจำนวนบวก
ความเข้มข้นต้องป้อนในหน่วยโมลาร์ (mol/L)
ค่าต้องอยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการ (โดยทั่วไป 0.001 M ถึง 1 M)
หากป้อนค่า pKa ที่กำหนดเอง ให้ใช้ค่าที่เหมาะสมสำหรับระบบบัฟเฟอร์ของคุณ

Error Handling

เครื่องคำนวณจะแสดงข้อความผิดพลาดหาก:

ช่องป้อนข้อมูลใด ๆ ถูกทิ้งว่าง
มีการป้อนค่าลบ
มีการป้อนค่าที่ไม่ใช่ตัวเลข
เกิดข้อผิดพลาดในการคำนวณเนื่องจากค่าที่สุดขีด

Step-by-Step Calculation Example

มาทบทวนตัวอย่างที่สมบูรณ์เพื่อแสดงให้เห็นว่าเครื่องคำนวณ pH ของบัฟเฟอร์ทำงานอย่างไร:

ตัวอย่าง: คำนวณ pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ฟอสเฟตที่มี dihydrogen phosphate (H₂PO₄⁻, รูปแบบกรด) 0.1 M และ hydrogen phosphate (HPO₄²⁻, รูปแบบเบสคู่) 0.2 M

ระบุส่วนประกอบ:
- ความเข้มข้นของกรด [HA] = 0.1 M
- ความเข้มข้นของเบสคู่ [A⁻] = 0.2 M
- pKa ของ H₂PO₄⁻ = 7.21 ที่ 25°C
ใช้สมการ Henderson-Hasselbalch:
- pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
- pH = 7.21 + log(0.2/0.1)
- pH = 7.21 + log(2)
- pH = 7.21 + 0.301
- pH = 7.51
ตีความผลลัพธ์:
- pH ของสารละลายบัฟเฟอร์นี้คือ 7.51 ซึ่งมีความเป็นด่างเล็กน้อย
- pH นี้อยู่ในช่วงที่มีประสิทธิภาพของบัฟเฟอร์ฟอสเฟต (ประมาณ 6.2-8.2)

Use Cases for Buffer pH Calculations

การคำนวณ pH ของบัฟเฟอร์มีความสำคัญในหลายแอปพลิเคชันทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม:

Laboratory Research

การทดสอบทางชีวเคมี: เอนไซม์และโปรตีนหลายชนิดทำงานได้ดีที่สุดที่ pH เฉพาะ บัฟเฟอร์ช่วยให้มีสภาวะที่เสถียรสำหรับผลลัพธ์การทดลองที่แม่นยำ
การศึกษา DNA และ RNA: การสกัดกรดนิวคลีอิก PCR และการจัดลำดับต้องการการควบคุม pH ที่แม่นยำ
การเพาะเลี้ยงเซลล์: การรักษา pH ทางสรีรวิทยา (ประมาณ 7.4) เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการมีชีวิตและการทำงานของเซลล์

Pharmaceutical Development

การจัดเตรียมยา: ระบบบัฟเฟอร์ช่วยรักษาสารเตรียมทางเภสัชกรรมให้มีเสถียรภาพและมีผลต่อความสามารถในการละลายและการดูดซึมของยา
การควบคุมคุณภาพ: การตรวจสอบ pH ช่วยให้มั่นใจในความสอดคล้องและความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์
การทดสอบความเสถียร: การคาดการณ์ว่าสารเตรียมยาจะทำงานอย่างไรภายใต้สภาวะต่าง ๆ

Clinical Applications

การทดสอบวินิจฉัย: การทดสอบทางคลินิกหลายอย่างต้องการสภาวะ pH ที่เฉพาะเจาะจงเพื่อผลลัพธ์ที่แม่นยำ
สารละลายทางหลอดเลือดดำ: ของเหลว IV มักประกอบด้วยระบบบัฟเฟอร์เพื่อรักษาความเข้ากันได้กับ pH ของเลือด
สารละลายการฟอกไต: การควบคุม pH ที่แม่นยำมีความสำคัญต่อความปลอดภัยของผู้ป่วยและประสิทธิภาพการรักษา

Industrial Processes

การผลิตอาหาร: การควบคุม pH มีผลต่อรสชาติ เนื้อสัมผัส และการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์อาหาร
การบำบัดน้ำเสีย: ระบบบัฟเฟอร์ช่วยรักษาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการบำบัดทางชีวภาพ
การผลิตเคมี: ปฏิกิริยาหลายอย่างต้องการการควบคุม pH เพื่อเพิ่มผลผลิตและความปลอดภัย

Environmental Monitoring

การประเมินคุณภาพน้ำ: แหล่งน้ำธรรมชาติมีระบบบัฟเฟอร์ที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลง pH
การวิเคราะห์ดิน: pH ของดินมีผลต่อความพร้อมใช้งานของสารอาหารและการเจริญเติบโตของพืช
การศึกษาเกี่ยวกับมลพิษ: การทำความเข้าใจว่ามลพิษมีผลต่อระบบบัฟเฟอร์ธรรมชาติอย่างไร

Alternatives to the Henderson-Hasselbalch Equation

แม้ว่าสมการ Henderson-Hasselbalch จะเป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการคำนวณ pH ของบัฟเฟอร์ แต่ก็มีวิธีการทางเลือกสำหรับสถานการณ์เฉพาะ:

การวัด pH โดยตรง: การใช้มิเตอร์ pH ที่สอบเทียบแล้วให้การกำหนด pH ที่แม่นยำที่สุด โดยเฉพาะสำหรับส่วนผสมที่ซับซ้อน
การคำนวณสมดุลทั้งหมด: สำหรับสารละลายที่เจือจางมากหรือเมื่อมีสมดุลหลายอย่างเกี่ยวข้อง การแก้ไขชุดสมการสมดุลทั้งหมดอาจจำเป็น
วิธีเชิงตัวเลข: โปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่คำนึงถึงค่าความเข้มข้นและสมดุลหลายอย่างสามารถให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับสารละลายที่ไม่เป็นอุดมคติ
วิธีเชิงประจักษ์: ในบางแอปพลิเคชันในอุตสาหกรรม สูตรเชิงประจักษ์ที่ได้จากข้อมูลเชิงทดลองอาจถูกใช้แทนการคำนวณทางทฤษฎี
การคำนวณความสามารถของบัฟเฟอร์: สำหรับการออกแบบระบบบัฟเฟอร์ การคำนวณความสามารถของบัฟเฟอร์ (β = dB/dpH, โดยที่ B คือจำนวนเบสที่เพิ่มเข้าไป) อาจมีประโยชน์มากกว่าการคำนวณ pH แบบง่าย

History of Buffer Chemistry and the Henderson-Hasselbalch Equation

ความเข้าใจเกี่ยวกับสารละลายบัฟเฟอร์และการอธิบายทางคณิตศาสตร์ของพวกเขาได้พัฒนาขึ้นอย่างมากในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา:

Early Understanding of Buffers

แนวคิดเกี่ยวกับการบัฟเฟอร์ทางเคมีถูกอธิบายอย่างเป็นระบบครั้งแรกโดยนักเคมีชาวฝรั่งเศส Marcellin Berthelot ในปลายศตวรรษที่ 19 อย่างไรก็ตาม เป็น Lawrence Joseph Henderson นักแพทย์และชีวเคมีชาวอเมริกันที่ทำการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ที่สำคัญครั้งแรกเกี่ยวกับระบบบัฟเฟอร์ในปี 1908

Development of the Equation

Henderson พัฒนารูปแบบเริ่มต้นของสิ่งที่จะกลายเป็นสมการ Henderson-Hasselbalch ในขณะที่ศึกษาเกี่ยวกับบทบาทของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในการควบคุม pH ของเลือด งานของเขาถูกตีพิมพ์ในเอกสารที่มีชื่อว่า "Concerning the relationship between the strength of acids and their capacity to preserve neutrality."

ในปี 1916 Karl Albert Hasselbalch นักแพทย์และนักเคมีชาวเดนมาร์กได้ปรับรูปแบบสมการของ Henderson โดยใช้การบันทึก pH (ที่แนะนำโดย Sørensen ในปี 1909) แทนความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจน รูปแบบลอการิธึมนี้ทำให้สมการใช้งานได้ง่ายขึ้นในห้องปฏิบัติการและเป็นเวอร์ชันที่เราใช้ในปัจจุบัน

Refinement and Application

ตลอดศตวรรษที่ 20 สมการ Henderson-Hasselbalch กลายเป็นรากฐานของเคมีกรด-เบสและชีวเคมี:

ในปี 1920 และ 1930 สมการนี้ถูกนำไปใช้เพื่อทำความเข้าใจระบบบัฟเฟอร์ทางสรีรวิทยา โดยเฉพาะในเลือด
โดยปี 1950 สารละลายบัฟเฟอร์ที่คำนวณโดยใช้สมการนี้กลายเป็นเครื่องมือมาตรฐานในงานวิจัยทางชีวเคมี
การพัฒนามิเตอร์ pH อิเล็กทรอนิกส์ในกลางศตวรรษที่ 20 ทำให้การวัด pH ที่แม่นยำเป็นไปได้ ซึ่งยืนยันการคาดการณ์ของสมการ
วิธีการคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ทำให้สามารถปรับปรุงเพื่อคำนึงถึงพฤติกรรมที่ไม่เป็นอุดมคติในสารละลายที่เข้มข้นได้

สมการนี้ยังคงเป็นหนึ่งในความสัมพันธ์ที่สำคัญและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในเคมี แม้ว่าจะมีอายุมากกว่าหนึ่งศตวรรษแล้ว

Code Examples for Buffer pH Calculation

นี่คือตัวอย่างการใช้งานสมการ Henderson-Hasselbalch ในหลายภาษาโปรแกรม:

1def calculate_buffer_ph(acid_concentration, base_concentration, pKa=7.21):
2    """
3    คำนวณ pH ของสารละลายบัฟเฟอร์โดยใช้สมการ Henderson-Hasselbalch
4    
5    พารามิเตอร์:
6    ความเข้มข้นของกรด (float): ความเข้มข้นของกรดในหน่วยโมลาร์
7    ความเข้มข้นของเบส (float): ความเข้มข้นของเบสคู่ในหน่วยโมลาร์
8    pKa (float): ค่าคงที่การแตกตัวของกรด (ค่าเริ่มต้น: 7.21 สำหรับบัฟเฟอร์ฟอสเฟต)
9    
10    ผลลัพธ์:
11    float: pH ของสารละลายบัฟเฟอร์
12    """
13    import math
14    
15    if acid_concentration <= 0 or base_concentration <= 0:
16        raise ValueError("ความเข้มข้นต้องเป็นค่าบวก")
17    
18    ratio = base_concentration / acid_concentration
19    pH = pKa + math.log10(ratio)
20    
21    return round(pH, 2)
22
23# ตัวอย่างการใช้งาน
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"Buffer pH: {pH}")
29except ValueError as e:
30    print(f"Error: {e}")
31

1function calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa = 7.21) {
2  // ตรวจสอบข้อมูลนำเข้า
3  if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
4    throw new Error("ความเข้มข้นต้องเป็นค่าบวก");
5  }
6  
7  // ใช้สมการ Henderson-Hasselbalch
8  const ratio = baseConcentration / acidConcentration;
9  const pH = pKa + Math.log10(ratio);
10  
11  // ปัดเศษเป็น 2 ตำแหน่งทศนิยม
12  return Math.round(pH * 100) / 100;
13}
14
15// ตัวอย่างการใช้งาน
16try {
17  const acidConc = 0.1; // mol/L
18  const baseConc = 0.2; // mol/L
19  const pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
20  console.log(`Buffer pH: ${pH}`);
21} catch (error) {
22  console.error(`Error: ${error.message}`);
23}
24

1public class BufferPHCalculator {
2    private static final double DEFAULT_PKA = 7.21; // ค่า pKa เริ่มต้นสำหรับบัฟเฟอร์ฟอสเฟต
3    
4    /**
5     * คำนวณ pH ของสารละลายบัฟเฟอร์โดยใช้สมการ Henderson-Hasselbalch
6     * 
7     * @param acidConcentration ความเข้มข้นของกรดในหน่วยโมลาร์
8     * @param baseConcentration ความเข้มข้นของเบสคู่ในหน่วยโมลาร์
9     * @param pKa ค่าคงที่การแตกตัวของกรด
10     * @return pH ของสารละลายบัฟเฟอร์
11     * @throws IllegalArgumentException หากความเข้มข้นไม่เป็นบวก
12     */
13    public static double calculateBufferPH(double acidConcentration, 
14                                          double baseConcentration, 
15                                          double pKa) {
16        // ตรวจสอบข้อมูลนำเข้า
17        if (acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0) {
18            throw new IllegalArgumentException("ความเข้มข้นต้องเป็นค่าบวก");
19        }
20        
21        // ใช้สมการ Henderson-Hasselbalch
22        double ratio = baseConcentration / acidConcentration;
23        double pH = pKa + Math.log10(ratio);
24        
25        // ปัดเศษเป็น 2 ตำแหน่งทศนิยม
26        return Math.round(pH * 100.0) / 100.0;
27    }
28    
29    /**
30     * เมธอดที่โอเวอร์โหลดโดยใช้ค่า pKa เริ่มต้น
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("Buffer pH: %.2f%n", pH);
43        } catch (IllegalArgumentException e) {
44            System.err.println("Error: " + e.getMessage());
45        }
46    }
47}
48

1' ฟังก์ชัน Excel สำหรับการคำนวณ pH ของบัฟเฟอร์
2Function BufferPH(acidConcentration As Double, baseConcentration As Double, Optional pKa As Double = 7.21) As Double
3    ' ตรวจสอบข้อมูลนำเข้า
4    If acidConcentration <= 0 Or baseConcentration <= 0 Then
5        BufferPH = CVErr(xlErrValue)
6        Exit Function
7    End If
8    
9    ' ใช้สมการ Henderson-Hasselbalch
10    Dim ratio As Double
11    ratio = baseConcentration / acidConcentration
12    
13    BufferPH = pKa + Application.WorksheetFunction.Log10(ratio)
14    
15    ' ปัดเศษเป็น 2 ตำแหน่งทศนิยม
16    BufferPH = Round(BufferPH, 2)
17End Function
18
19' การใช้งานในเซลล์ Excel: =BufferPH(0.1, 0.2)
20

1calculate_buffer_ph <- function(acid_concentration, base_concentration, pKa = 7.21) {
2  # ตรวจสอบข้อมูลนำเข้า
3  if (acid_concentration <= 0 || base_concentration <= 0) {
4    stop("ความเข้มข้นต้องเป็นค่าบวก")
5  }
6  
7  # ใช้สมการ Henderson-Hasselbalch
8  ratio <- base_concentration / acid_concentration
9  pH <- pKa + log10(ratio)
10  
11  # ปัดเศษเป็น 2 ตำแหน่งทศนิยม
12  return(round(pH, 2))
13}
14
15# ตัวอย่างการใช้งาน
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("Buffer pH: %.2f\n", pH))
21}, error = function(e) {
22  cat(sprintf("Error: %s\n", e$message))
23})
24

1function pH = calculateBufferPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
2    % CALCULATEBUFFERPH คำนวณ pH ของสารละลายบัฟเฟอร์
3    %   pH = CALCULATEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration) 
4    %   คำนวณ pH โดยใช้สมการ Henderson-Hasselbalch
5    %
6    %   pH = CALCULATEBUFFERPH(acidConcentration, baseConcentration, pKa)
7    %   ใช้ค่า pKa ที่ระบุแทนค่าเริ่มต้น (7.21)
8    
9    % ตั้งค่า pKa เริ่มต้นหากไม่ได้ระบุ
10    if nargin < 3
11        pKa = 7.21; % ค่า pKa เริ่มต้นสำหรับบัฟเฟอร์ฟอสเฟต
12    end
13    
14    % ตรวจสอบข้อมูลนำเข้า
15    if acidConcentration <= 0 || baseConcentration <= 0
16        error('ความเข้มข้นต้องเป็นค่าบวก');
17    end
18    
19    % ใช้สมการ Henderson-Hasselbalch
20    ratio = baseConcentration / acidConcentration;
21    pH = pKa + log10(ratio);
22    
23    % ปัดเศษเป็น 2 ตำแหน่งทศนิยม
24    pH = round(pH * 100) / 100;
25end
26
27% ตัวอย่างการใช้งาน
28try
29    acidConc = 0.1; % mol/L
30    baseConc = 0.2; % mol/L
31    pH = calculateBufferPH(acidConc, baseConc);
32    fprintf('Buffer pH: %.2f\n', pH);
33catch ME
34    fprintf('Error: %s\n', ME.message);
35end
36

Numerical Examples

นี่คือตัวอย่างหลายตัวอย่างของการคำนวณ pH ของบัฟเฟอร์สำหรับอัตราส่วนความเข้มข้นที่แตกต่างกัน:

Example 1: Equal Concentrations

ความเข้มข้นของกรด: 0.1 M
ความเข้มข้นของเบส: 0.1 M
pKa: 7.21
การคำนวณ: pH = 7.21 + log(0.1/0.1) = 7.21 + log(1) = 7.21 + 0 = 7.21
ผลลัพธ์: pH = 7.21

Example 2: More Base than Acid

ความเข้มข้นของกรด: 0.1 M
ความเข้มข้นของเบส: 0.2 M
pKa: 7.21
การคำนวณ: pH = 7.21 + log(0.2/0.1) = 7.21 + log(2) = 7.21 + 0.301 = 7.51
ผลลัพธ์: pH = 7.51

Example 3: More Acid than Base

ความเข้มข้นของกรด: 0.2 M
ความเข้มข้นของเบส: 0.05 M
pKa: 7.21
การคำนวณ: pH = 7.21 + log(0.05/0.2) = 7.21 + log(0.25) = 7.21 + (-0.602) = 6.61
ผลลัพธ์: pH = 6.61

Example 4: Very Different Concentrations

ความเข้มข้นของกรด: 0.01 M
ความเข้มข้นของเบส: 0.5 M
pKa: 7.21
การคำนวณ: pH = 7.21 + log(0.5/0.01) = 7.21 + log(50) = 7.21 + 1.699 = 8.91
ผลลัพธ์: pH = 8.91

Example 5: Different Buffer System (Acetic Acid/Acetate)

ความเข้มข้นของกรด: 0.1 M (กรดอะซิติก)
ความเข้มข้นของเบส: 0.1 M (โซเดียมอะซิเตต)
pKa: 4.76 (สำหรับกรดอะซิติก)
การคำนวณ: pH = 4.76 + log(0.1/0.1) = 4.76 + log(1) = 4.76 + 0 = 4.76
ผลลัพธ์: pH = 4.76

Frequently Asked Questions (FAQ)

What is a buffer solution?

How does the Henderson-Hasselbalch equation work?

สมการ Henderson-Hasselbalch (pH = pKa + log([base]/[acid])) เชื่อมโยง pH ของสารละลายบัฟเฟอร์กับ pKa ของกรดอ่อนและอัตราส่วนของความเข้มข้นของเบสคู่ต่อกรด มันได้มาจากสมดุลการแตกตัวของกรดและช่วยให้การคำนวณ pH เป็นเรื่องง่าย

What is the optimal ratio of acid to base in a buffer?

เพื่อให้ได้ความสามารถในการบัฟเฟอร์สูงสุด อัตราส่วนของเบสคู่ต่อกรดควรใกล้เคียงกับ 1:1 ซึ่งจะทำให้ pH เท่ากับ pKa ช่วงที่มีประสิทธิภาพโดยทั่วไปถือว่ามีอยู่ภายใน ±1 หน่วย pH ของ pKa

How do I choose the right buffer for my experiment?

เลือกบัฟเฟอร์ที่มี pKa ใกล้เคียงกับ pH ที่คุณต้องการ (โดยทั่วไปอยู่ภายใน ±1 หน่วย pH) พิจารณาปัจจัยอื่น ๆ เช่น ความเสถียรของอุณหภูมิ ความเข้ากันได้กับระบบชีวภาพหรือปฏิกิริยา และการรบกวนที่น้อยที่สุดต่อการทดสอบหรือการวัด

Does temperature affect buffer pH?

ใช่ อุณหภูมิส่งผลต่อทั้ง pKa ของกรดและการแตกตัวของน้ำ ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลง pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ได้ ค่าพีเคเอส่วนใหญ่จะรายงานที่ 25°C และการเบี่ยงเบนจากอุณหภูมิที่สำคัญอาจต้องการปัจจัยการแก้ไข

Can I mix different buffers to achieve a specific pH?

แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะผสมระบบบัฟเฟอร์ที่แตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปไม่แนะนำเพราะมันทำให้สมดุลซับซ้อนและอาจนำไปสู่พฤติกรรมที่ไม่สามารถคาดเดาได้ จะดีกว่าที่จะเลือกระบบบัฟเฟอร์เดียวที่มี pKa ใกล้เคียงกับ pH เป้าหมายของคุณ

What is buffer capacity and how is it calculated?

ความสามารถของบัฟเฟอร์ (β) คือการวัดความต้านทานของบัฟเฟอร์ต่อการเปลี่ยนแปลง pH เมื่อมีการเพิ่มกรดหรือเบส มันถูกกำหนดว่าเป็นจำนวนกรดหรือเบสที่จำเป็นในการเปลี่ยน pH ไป 1 หน่วย และมีค่าสูงสุดเมื่อ pH = pKa มันสามารถคำนวณได้ว่า β = 2.303 × C × (Ka × [H⁺]) / (Ka + [H⁺])² โดยที่ C คือความเข้มข้นรวมของบัฟเฟอร์

How do I prepare a buffer with a specific pH?

คำนวณอัตราส่วนที่ต้องการของเบสคู่ต่อกรดโดยใช้สมการ Henderson-Hasselbalch ที่จัดเรียงใหม่เป็น [base]/[acid] = 10^(pH-pKa) จากนั้นเตรียมสารละลายด้วยความเข้มข้นที่เหมาะสมเพื่อให้ได้อัตราส่วนนี้

Why does my measured pH differ from the calculated value?

ความแตกต่างอาจเกิดจากปัจจัยต่าง ๆ เช่น:

ผลกระทบจากกิจกรรมในสารละลายที่ไม่เป็นอุดมคติ (โดยเฉพาะที่ความเข้มข้นสูง)
ความแตกต่างของอุณหภูมิ
สิ่งเจือปนในสารเคมี
ข้อผิดพลาดในการสอบเทียบมิเตอร์ pH
ผลกระทบจากความเข้มข้นของไอออน

Can the Henderson-Hasselbalch equation be used for polyprotic acids?

สำหรับกรดหลายตัว (กรดที่มีไฮโดรเจนที่แตกตัวได้หลายตัว) สมการ Henderson-Hasselbalch สามารถนำไปใช้กับแต่ละขั้นตอนการแตกตัวแยกกันได้ แต่เฉพาะเมื่อค่า pKa มีความแตกต่างกันเพียงพอ (โดยทั่วไป >2 หน่วย pH) มิฉะนั้นอาจต้องมีการคำนวณสมดุลที่ซับซ้อนมากขึ้น

References

Po, Henry N., และ N. M. Senozan. "The Henderson-Hasselbalch Equation: Its History and Limitations." Journal of Chemical Education, vol. 78, no. 11, 2001, pp. 1499-1503.
Good, Norman E., et al. "Hydrogen Ion Buffers for Biological Research." Biochemistry, vol. 5, no. 2, 1966, pp. 467-477.
Beynon, Robert J., และ J. S. Easterby. Buffer Solutions: The Basics. Oxford University Press, 1996.
Stoll, Vincent S., และ John S. Blanchard. "Buffers: Principles and Practice." Methods in Enzymology, vol. 182, 1990, pp. 24-38.
Martell, Arthur E., และ 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, no. 2, 1980, pp. 300-310.
Mohan, Chandra. Buffers: A Guide for the Preparation and Use of Buffers in Biological Systems. Calbiochem, 2003.

เครื่องคำนวณ pH ของบัฟเฟอร์: เครื่องมือสมการเฮนเดอร์สัน-ฮัสเซลบัลค์

เครื่องคำนวณ pH ของบัฟเฟอร์

ผลลัพธ์

เอกสารประกอบการใช้งาน