Pufferlösungen Eigenschaften, Herstellung und Beispiele

Die Pufferlösungen oder Puffer sind solche, die pH-Änderungen aufgrund von H-Ionen verringern können₃O⁺ und OH^-. In Abwesenheit von diesen sind einige Systeme (wie zum Beispiel physiologische) betroffen, da ihre Komponenten sehr empfindlich gegenüber plötzlichen pH-Änderungen sind.

Genauso wie die Stoßdämpfer in Automobilen den durch ihre Bewegung verursachten Stoß verringern, tun die Puffer dasselbe, aber mit dem Säuregehalt oder der Basizität der Lösung. Darüber hinaus legen Pufferlösungen einen spezifischen pH-Bereich fest, in dem sie wirksam sind.

In Abhängigkeit von diesen Bereichen werden diejenigen ausgewählt, die die pH-Werte dämpfen, die das Medium auszeichnen. Zum Beispiel, wenn das Medium einer Reaktion, die H-Ionen erzeugt, benötigt wird₃O⁺ Halten Sie einen engen pH-Wert um 6 und suchen Sie nach einem Puffer, der diesen Wert in seinem Bereich größerer Effizienz aufweist.

Ansonsten H-Ionen₃O⁺ Ansäuern der Lösung (der pH sinkt auf Werte unter 6), was zu einer möglichen Veränderung der Reaktionsleistung führt. Das gleiche Beispiel kann für basische pH-Werte gelten, dh größer als 7.

Index

• 1 Eigenschaften
  • 1.1 Zusammensetzung
  • 1.2 Neutralisieren Sie sowohl Säuren als auch Basen
  • 1.3 Effizienz
• 2 Vorbereitung
• 3 Beispiele
• 4 Referenzen

Eigenschaften

Zusammensetzung

Sie bestehen im wesentlichen aus einer Säure (HA) oder einer schwachen Base (B) und Salzen ihrer konjugierten Base oder Säure. Folglich gibt es zwei Arten: Säurepuffer und alkalische Puffer.

Die Säurepuffer entsprechen dem HA / A-Paar^-, wo A^- ist die konjugierte Base der schwachen Säure HA und interagiert mit Ionen wie Na⁺- um Natriumsalze zu bilden. Auf diese Weise bleibt das Paar als HA / NaA, obwohl es auch Kalium- oder Calciumsalze sein kann.

Wenn es von der schwachen Säure HA abgeleitet wird, dämpft es saure pH-Bereiche (weniger als 7) gemäß der folgenden Gleichung:

HA + OH^- => A^- + H₂O

Da sie jedoch eine schwache Säure ist, wird ihre konjugierte Base teilweise hydrolysiert, um einen Teil der verbrauchten HA zu regenerieren:

A^- + H₂O <=> HA + OH^-

Auf der anderen Seite bestehen die alkalischen Puffer aus dem Paar B / HB⁺, wo HB⁺ ist die konjugierte Säure der schwachen Base. Im Allgemeinen HB⁺ bildet Salze mit Chloridionen und hinterlässt das Paar als B / HBCl. Diese Puffer puffern basische pH-Bereiche (größer als 7):

B + H₃O⁺ => HB⁺ + H₂O

Und wieder HB⁺ kann teilweise hydrolysieren, um einen Teil von B zu regenerieren:

HB⁺ + H₂O <=> B + H₃O⁺

Neutralisieren Sie sowohl Säuren als auch Basen

Obwohl saure Puffer pH-Säuren und alkalische basische pH-Puffer puffern, können beide mit H-Ionen reagieren₃O⁺ und OH^- durch diese Reihe von chemischen Gleichungen:

A^- + H₃O⁺ => HA + H₂O

HB⁺ + OH^- => B + H₂O

Im Falle des Paares HA / A^-, HA reagiert mit OH-Ionen^-, während A^- - Ihre konjugierte Base - reagiert mit dem H₃O⁺. Wie für das Paar B / HB⁺, B reagiert mit den H-Ionen₃O⁺, während HB⁺ - ihre konjugierte Säure - mit OH^-.

Dies ermöglicht, dass beide Pufferlösungen sowohl saure als auch basische Spezies neutralisieren. Das Ergebnis des obigen Vergleiches ist beispielsweise die konstante Zugabe von OH-Molen^-, ist die Abnahme der pH-Variation (ΔpH):

Das obere Bild zeigt die Pufferung des pH-Wertes gegen eine starke Base (OH-Donor)^-).

Anfangs ist der pH-Wert aufgrund der Anwesenheit von HA sauer. Wenn die starke Base zugegeben wird, werden die ersten Mole von A gebildet^- und der Puffer beginnt zu wirken.

Es gibt jedoch einen Bereich der Kurve, wo die Steigung weniger steil ist; das heißt, wo die Dämpfung effizienter ist (bläulicher Rahmen).

Effizienz

Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Konzept der Puffereffizienz zu verstehen. Eine davon ist, die zweite Ableitung der pH-Kurve gegen das Basisvolumen zu bestimmen, wobei V für den Minimalwert gelöscht wird, der Veq / 2 ist.

Veq ist das Volumen am Äquivalenzpunkt; Dies ist das Grundvolumen, das benötigt wird, um die gesamte Säure zu neutralisieren.

Eine andere Möglichkeit, dies zu verstehen, ist die berühmte Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

pH = pK_a + log ([B] / [A])

Hier bedeutet B die Base, A die Säure und pK_a es ist der niedrigste Logarithmus der Säurekonstante. Diese Gleichung gilt sowohl für die saure Spezies HA als auch für die konjugierte Säure HB⁺.

Wenn [A] in Bezug auf [B] sehr groß ist, nimmt log () einen sehr negativen Wert an, der von pK subtrahiert wird_a. Wenn im Gegensatz dazu [A] sehr klein in Bezug auf [B] ist, nimmt der Wert von log () einen sehr positiven Wert an, der zu pK addiert_a. Wenn jedoch [A] = [B] ist, ist log () 0 und der pH = pK_a.

Was bedeutet das alles? Das ΔpH wird in den für die Gleichung berücksichtigten Extremen größer sein, während es bei einem pH gleich pK kleiner sein wird_a; und als pK_a ist charakteristisch für jede Säure, dieser Wert bestimmt den Rang pK_a±1.

Die pH-Werte innerhalb dieses Bereichs sind diejenigen, in denen der Puffer effizienter ist.

Vorbereitung

Um eine Pufferlösung vorzubereiten, müssen die folgenden Schritte beachtet werden:

- Kennen Sie den erforderlichen pH-Wert und daher den, den Sie während der Reaktion oder des Prozesses möglichst konstant halten möchten.

- Wenn wir den pH-Wert kennen, suchen wir nach allen schwachen Säuren, deren pK_a näher an diesen Wert kommen.

- Sobald die HA-Spezies ausgewählt und die Konzentration des Puffers berechnet wurde (abhängig davon, wie viel Base oder Säure es neutralisieren muss), wird die notwendige Menge seines Natriumsalzes gewogen.

Beispiele

Essigsäure hat einen pK_a von 4,75, CH₃COOH; Daher eine Mischung bestimmter Mengen dieser Säure und Natriumacetat, CH₃COONa, bilden einen Puffer, der im pH-Bereich (3,75-5,75) effizient absorbiert.

Andere Beispiele für monoprotische Säuren sind Benzoesäuren (C₆H₅COOH) und Ameisensäure (HCOOH). Für jeden von diesen sind seine pK-Werte_a sie sind 4,18 und 3,68; daher sind ihre pH-Bereiche höherer Pufferung (3.18-5.18) und (2.68-4.68).

Auf der anderen Seite werden polyprotische Säuren wie Phosphorsäure (H₃PO₄) und Kohlenstoff (H₂CO₃) haben so viele pK-Werte_a wie Protonen freisetzen können. Also, der H₃PO₄ hat drei pK_a (2.12, 7.21 und 12.67) und der H₂CO₃ hat zwei (6.352 und 10.329).

Wenn Sie einen pH - Wert von 3 in einer Lösung beibehalten möchten, können Sie zwischen dem HCOONa / HCOOH - Puffer (pK_a= 3,68) und NaH₂PO₄/ H₃PO₄ (pK_a= 2,12).

Der erste Puffer, der der Ameisensäure, liegt näher bei pH 3 als der Phosphorsäurepuffer; daher dämpft HCOONa / HCOOH bei pH 3 besser als NaH₂PO₄/ H₃PO₄.

Referenzen

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