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).

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.

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.
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.
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.
Konceptforståelse 14.10 |
Identificering af bufferopløsningerAngiv om hver af følgende, ville kunne bruges som en bufferopløsning. a. HCl (en stærk syre) og NaCl. Svara. 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:
Ved at løse ligningen med hensyn til [H3O+], får vi:
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 bufferKa 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–? LøsningTrin 1: Trin 2: Trin 3: Trin 4: |
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:
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 buffereEn 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? SvarFordi 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. |