14.9 – Buffere

Vands pH, og de fleste øvrige opløsningers pH, ændres drastisk, hvis der tilsættes en lille mængde syre eller base. Men når syrer eller baser tilsættes til en bufferopløsning, sker der imidlertid en lille ændring i pH. En bufferopløsning, er en opløsning der bibeholder pH i en opløsning, ved at neutralisere små mængder af den tilsatte syre eller base. For eksempel indeholder blod buffere, der opretholder en konsistent pH på omkring 7,4. Hvis pH i blodet går en smule over eller under 7,4, ændres oxygenniveauerne og vores metaboliske processer kan blive drastiske nok til, at de kan medføre død. Selvom vi optager syrer og baser fra fødevarerne vi spiser, og fra cellulære reaktioner, absorberer bufferne i vores krop disse stoffer så effektivt, at pH i vores blod, forbliver stort set uændret (se figur 14.8).

Figur 14.8 – Tilføjelse af en syre eller en base til vand, ændrer pH værdien drastisk, men en buffer kan modstå pH ændringer, når kun små mængder syre eller base tilføjes.

I en buffer, skal der være en syre til stede for at reagere med de OH der tilsættes, og der skal være en base til stede der kan reagere med de H3O+ der tilsættes. Den syre og base, må imidlertid ikke neutralisere hinanden. Derfor anvendes en kombination af korresponderende syre-basepar i buffere. De fleste buffere består af næsten lige store koncentrationer af en svag syre og et salt der indeholder syrens korresponderende base (se figur 14.9). Buffere kan også indeholde en svag base, og et salt af den svage base, der indeholder dens korresponderende syre.

Figur 14.9 – Bufferen vist her, består af omtrent samme koncentrationer af eddikesyre (HC2H3O2), og den korresponderende base, acetat (C2H3O2). Hvis der tilsættes H3O+ til bufferen, forbruges noget C2H3O2, hvor tilsætning af OH neutraliserer noget HC2H3O2. Opløsningens pH bevares, så længe den tilsatte mængde af syre eller base er lille, i forhold til koncentrationen af bufferkomponenterne.

For eksempel, kan en typisk buffer laves af den svage syre eddikesyre (HC2H3O2) og dens salt, natriumacetat (NaC2H3O2). Som en svag syre, dissocierer eddikesyre kun lidt i vand for at danne H3O+ og meget små mængder C2H3O2. Tilsætningen af dens salt, natriumacetat, leverer en meget større koncentration af acetationer (C2H3O2), hvilket er nødvendigt for bufferens kapacitet.

HC2H3O2(aq)stor mængde+H2O(l)H3O(aq)++C2H3O2(aq)stor mængde

Vi kan nu beskrive, hvordan denne bufferopløsning opretholder [H3O+]. Når en lille mængde syre tilsættes, går de ekstra H3O+ sammen med acetationen, C2H3O2, og forårsager at ligevægten forskubbes i retningen mod reaktanterne, eddikesyre og vand. De vil komme et lille fald i [C2H3O2], men både [H3O+] og pH bevares.

HC2H3O2(aq)+H2O(l)ligevægten forskydesi retning mod reaktanterneH3O(aq)++C2H3O2(aq)

Hvis en lille mængde base tilsættes til denne samme bufferopløsning, bliver den neutraliseret af eddikesyren, HC2H3O2, der forskyder ligevægten i retning mod produkterne, acetationen og vand. [HC2H3O2] falder lidt, og [C2H3O2] stiger lidt, men igen opretholdes [H3O+], og dermed pH, i opløsningen.

HC2H3O2(aq)+OH(aq)H2O(l)+C2H3O2(aq)ligevægten forskydesi retning af produkterne

Konceptforståelse 14.10

Identificering af bufferopløsninger

Angiv om hver af følgende, ville kunne bruges som en bufferopløsning.

a. HCl (en stærk syre) og NaCl.
b. H3PO4 (en svag syre).
c. HF (en svag syre) og NaF.

Svar

a. Nej. En stærk syre vil ændre pH i en opløsning. En buffer kræver en svag syre og et salt der indeholder den svage syres korresponderende base.

b. Nej. En svag syre er en del af en buffer, men saltet der indeholder den svage syres korresponderende base, behøves også.

c. Ja. Blandingen vil være en buffer fordi, den indeholder en svag syre, og et salt med den svage syres korresponderende base.


Beregning af pH for en buffer

Ved at omarrangere Ka ligningen, så vi finder [H3O+], kan vi finde forholdet mellem eddikesyre/acetat bufferen:

K_{\textup{a}}=\frac{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]\cdot \textup{[C}_{2}\textup{H}_{3}\textup{O}_{2}^{-}]}{\textup{[HC}_{2}\textup{H}_{3}\textup{O}_{2}]}

Ved at løse ligningen med hensyn til [H3O+], får vi:

\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=K_{\textup{a}}\cdot \frac{\textup{[HC}_{2}\textup{H}_{3}\textup{O}_{2}]}{\textup{[C}_{2}\textup{H}_{3}\textup{O}_{2}^{-}]}\; \; \; \; \; \frac{\leftarrow \textup{{\color{Magenta} svag syre}}}{\leftarrow \textup{{\color{Magenta} korresponderende base}}}

I denne udgave af Ka ligningen, er den svage syre i tælleren og den korresponderende base i nævneren. Vi kan nu beregne [H3O+] og pH for en eddikesyre/acetatbuffer, som vist i Opgaveeksempel 14.12.

Opgaveeksempel 14.12

Beregning af pH for en buffer

Ka for eddikesyre, HC2H3O2, er 1,8 · 10-5. Hvad er pH for en buffer forberedt med 1,0 M HC2H3O2 og 1,0 M C2H3O2?

HC2H3O2(aq)+H2O(l)H3O(aq)++C2H3O2(aq)

Løsning

Trin 1:
Angiv de oplyste mængder og de ønskede mængder.

Trin 2:
Opstil Ka ligningen, og løs den med hensyn til [H3O+].

K_{\textup{a}}=\frac{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]\cdot \textup{[C}_{2}\textup{H}_{3}\textup{O}_{2}^{-}]}{\textup{[HC}_{2}\textup{H}_{3}\textup{O}_{2}]}

\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=K_{\textup{a}}\cdot \frac{\textup{[HC}_{2}\textup{H}_{3}\textup{O}_{2}]}{\textup{[C}_{2}\textup{H}_{3}\textup{O}_{2}^{-}]}

Trin 3:
Indsæt [HA] og [A] i Ka ligningen.

\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=1,8\cdot 10^{-5}\cdot \frac{[1,0]}{[1,0]}

\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=1,8\cdot 10^{-5}

Trin 4:
Brug [H3O+] til beregning af pH.
Ved at indsætte [H3O+] i pH ligningen, får man bufferopløsningens pH.

\textup{pH}=-\textup{log[1,8}\cdot 10^{-5}]=4,74

Fordi Ka er en konstant ved en given temperatur, bliver [H3O+] bestemt af [HC2H3O2]/[C2H3O2] forholdet. Så længe tilsætningen af enten syre eller base kun ændrer [HC2H3O2]/[C2H3O2] forholdet lidt, vil ændringen i [H3O+] også være lille, og pH vil bevares. Hvis en stor mængde syre eller base tilsættes, kan bufferkapaciteten i systemet overskrides. Buffere kan forberedes af korresponderende syre-basepar, så som H2PO4/HPO42-, HPO42-/PO43-, HCO3/CO32-, eller NH4+/NH3.

Ved anvendelse af en almindelig phosphatbuffer til biologiske prøver, kan vi se på effekten af anvendelsen af forskellige forhold mellem [H2PO4]/[ HPO42-] på [H3O+] og pH. Ka for H2PO4 er
6,2 · 10-8. Reaktionsligningen og [H3O+] opstilles på denne måde:

H2PO4(aq)+H2O(l)H3O(aq)++HPO4(aq)2

\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=K_{\textup{a}}\cdot \frac{\textup{[H}_{2}\textup{PO}_{4}^{-}]}{\textup{[HPO}__{4}^{2-}]}

For at forberede en phosphatbuffer med en pH tæt på en biologisk prøve (med pH på 7,4), skal vi vælge koncentrationer der er omkring den samme, som 1,0 M H2PO4 og 1,0 M HPO42-.

Konceptforståelse 14.11

Forberedelse af buffere

En bufferopløsning skal opretholde en pH på 3,5 til 3,8 i en urinprøve. Hvilken af de følgende buffere ville du bruge, hvis 0,1 M opløsninger af den svage syre og den svage syres korresponderende base, er tilgængelige?

Myresyre/format Ka = 1,8 · 10-4
Kulsyre/bicarbonat Ka = 4,3 · 10-7
Ammonium/ammoniak Ka = 5,6 · 10-10

Svar

Fordi myresyre har en Ka på 1,8 · 10-4, vil pH på en myresyre/formatbuffer ligge omkring 4, hvor kulsyre/bicarbonatbufferen ville ligge omkring pH 7, og ammonium/ammoniakbufferen vil ligge omkring pH 10. Derfor kan vi beregne [H3O+] og pH for en myresyre/formatbuffer, som bruger 0,1 M opløsninger af den svage syre og den svage syres korresponderende base.

\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=K_{\textup{a}}\cdot \frac{\textup{[HCHO}_{2}]}{\textup{[CHO}_{2}^{-}]}

\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=1,8\cdot 10^{-4}\cdot \frac{0,1}{0,1}=1,8\cdot 10^{-4}

\textup{pH}=-\textup{log}[1,8\cdot 10^{-4}]=3,74

← Forsiden 15. Oxidation og reduktion →