مفاهیم اصلی

در این آموزش شیمی با شما آشنا می شود بافرها با یادگیری تعریف بافر و اجزای آن محلول های بافر اسیدی و بازی و نحوه واکنش آنها با اسیدها و بازهای اضافه شده. علاوه بر این، نمونه هایی از بافرهای بالقوه مختلف را یاد خواهید گرفت. در نهایت به معادله هندرسون هاسلبالخ خواهیم پرداخت. بیایید دریابیم، راه حل بافر چیست؟

موضوعات تحت پوشش در مقالات دیگر

تعریف راه حل بافر

در شیمی، تعریف بافر محلولی است که می تواند در برابر تغییر pH با افزودن اسید یا باز مقاومت کند. از محلول اسید ضعیف و باز مزدوج آن یا برعکس تشکیل شده است.

بافر محلول بسیار مفیدی است که در شیمی باز اسید استفاده می شود. گاهی اوقات، هنگامی که محلول ها با اسید یا باز قوی مخلوط می شوند، pH می تواند به سرعت و به طور چشمگیری تغییر کند. محلول بافر به خنثی کردن مقداری از اسید یا باز اضافه شده کمک می کند تا PH به تدریج تغییر کند. این امر با تشکیل اجزایی حاصل می شود که با یون های هیدروژن یا هیدروکسید واکنش نشان می دهند به طوری که نمی توانند pH را در حداکثر ظرفیت تحت تأثیر قرار دهند.

محلول های بافر محدودیت هایی برای خنثی سازی دارند. هنگامی که این بافر به ظرفیت خود برسد، محلول به گونه ای عمل می کند که گویی بافری وجود ندارد و pH می تواند یک بار دیگر به طور چشمگیری تغییر کند.

تجزیه و تحلیل و آزمایش با اسیدها و بازهای قوی با استفاده از بافرها آسان تر می شود. سیستم بافر بیو کربناتکه برای تنظیم pH خون استفاده می شود، نمونه ای از استفاده در دنیای واقعی از بافرها است.

اجزای یک محلول بافر

یک بافر باید دارای یکی از دو گزینه باشد: یک اسید ضعیف و باز مزدوج آن یا یک باز ضعیف و اسید مزدوج آن. نحوه انتخاب اجزا با pH مورد نظر محلول ارتباط دارد.

بافر اسیدی

یک بافر اسیدی دارای pH کمتر از 7 است. این محلول ها با اسید ضعیف و باز مزدوج آن به صورت نمک ساخته می شوند. اگر می خواهید PH محلول را تغییر دهید، می توانید نسبت اسید و نمک را تغییر دهید. علاوه بر این، اسیدهای مختلف (همراه با نمک های مزدوج آنها) می توانند به روش های مختلف بر pH تأثیر بگذارند.

اسید استیک و استات سدیم نمونه ای از اسید ضعیف و نمک مزدوج آن است. تعادل اسیدی به سمت چپ می رود. با این حال، اگر استات سدیم اضافه کنید، یون های استات به محلول اضافه می شود. با توجه به اصل Le Chatelier، تعادل به سمت چپ تغییر خواهد کرد.

CH₃COOH_(ق) ⇄ CH3COO^–_(ق) + اچ⁺_(ق)

افزودن اسید به بافر اسیدی

با در نظر گرفتن نمونه بافر بالا، اگر اسید اضافه شود چه اتفاقی می افتد؟ بافر باید برای حذف یون های هیدروژن از اسید ورودی کار کند. یون های استات با این یون های هیدروژن ترکیب می شوند و ایجاد می کنند استیک اسید. از آنجایی که اسید استیک یک اسید ضعیف است، واکنش می تواند یون های هیدروژن را سریعتر از اسید استیک جدا کند. به همین دلیل است که pH به طور چشمگیری تغییر نمی کند.

افزودن باز به بافر اسیدی

مجدداً بیایید محلول بافر از بالا را در نظر داشته باشیم. افزودن پایه برای تعامل با این بافر کمی پیچیده تر است. اسید استیک با یون هیدروکسید از پایه برهمکنش می‌کند که باعث تشکیل یون‌های استات، همراه با آب می‌شود. از آنجایی که یون های هیدروکسید از این قسمت حذف می شوند، باعث افزایش pH نمی شوند. علاوه بر این، یون های هیدروژن اضافی حاصل از تفکیک اسید استیک نیز می توانند با هیدروکسید ترکیب شوند و آب را تشکیل دهند. با این روش‌ها، بیشتر یون‌های هیدروکسید با یون‌های هیدروژن برهمکنش می‌کنند تا حضور اصلی را حذف کنند، اما به اندازه‌ای نیست که pH را به شدت تغییر دهد.

بافر پایه (قلیایی).

یک بافر پایه دارای pH بیشتر از 7 است. این محلول ها از یک باز ضعیف و اسید مزدوج آن به صورت نمک ساخته می شوند. غلظت هر دو جزء باید برای شروع برابر باشد. با این حال، مانند بافرهای اسیدی، می توانید pH محلول را با تغییر نسبت بین نمک پایه و اسیدی تغییر دهید.

آمونیاک و کلرید آمونیوم نمونه ای از یک باز ضعیف با اسید مزدوج آن است. تعادل به سمت چپ می رود. با این حال، اگر کلرید آمونیوم اضافه کنید، یون های آمونیوم به محلول اضافه می شوند. این بار، اصل Le Chatelier باعث می شود که تعادل حتی بیشتر به سمت چپ حرکت کند.

NH_{3 (ق)} + اچ₂O_(ل) ⇄ NH₄⁺_(ق) + اوه^–_(ق)

افزودن اسید به بافر پایه

با در نظر گرفتن نمونه بافر بالا، بیایید تحلیل کنیم که اگر اسید اضافه شود چه اتفاقی می افتد. هیدروژن اسید اضافه شده با آمونیاک برهمکنش می کند و یون های آمونیوم را تشکیل می دهد. این باعث حذف بسیاری از یون های هیدروژن می شود. علاوه بر این، به دلیل واکنش بین آمونیاک و آب، مقداری یون هیدروکسید در محلول وجود دارد. این یون‌های هیدروکسید با هیدروژن‌های اسیدی برهمکنش می‌کنند تا آب بیشتری را تشکیل دهند. این روش‌ها باعث حذف بیشتر یون‌های هیدروژن برای حذف حضور اسیدی می‌شوند که به باریک کردن تغییر pH کمک می‌کند.

افزودن پایه به بافر اصلی

اگر پایه از بالا به محلول بافر اضافه شود چه می شود؟ بافر باید برای حذف یون های هیدروکسید از پایه ورودی کار کند. یون های آمونیوم موجود در محلول با یون های هیدروکسید واکنش می دهند. از آنجایی که آمونیاک یک باز ضعیف است، واکنش می تواند در هنگام واکنش با آب معکوس شود، اما تمام یون های هیدروکسید از محلول حذف نمی شوند. به همین دلیل، pH به طور چشمگیری تغییر نمی کند.

نمونه های راه حل بافر

• اسید استیک و باز مزدوج: CH₃COOH & CH₃COO^–
• اسید فرمیک و باز مزدوج: HCHO₂ & CHO₂^–
• پیریدین و اسید مزدوج: C₅اچ₅N & C₅اچ₅اچ⁺
• آمونیاک و اسید مزدوج: NH₃ & NH₄⁺
• متیلامین و اسید مزدوج: CH₃NH₂ & CH₃NH₃⁺

معادله هندرسون هاسلبالخ

وقتی بافری را با استفاده از اسید ضعیف و باز مزدوج آن ایجاد می‌کنید، PH بافری را حفظ می‌کند و اگر مقدار کمی اسید یا باز اضافی اضافه شود، می‌تواند در برابر تغییرات pH مقاومت کند. در معادله هندرسون هاسلبالخنشان داده شده در زیر، از pKa اسید ضعیف برای محاسبه pH بافر استفاده می کند. با استفاده از این معادله در مقاله ای جداگانه به مثال های مفصل خواهیم پرداخت.