Буферные растворы Hanna

Буферные растворы Hanna 

Основной задачей использования растворов является поддержание оптимальной работы электродов для получения точных и воспроизводимых показаний измерительных приборов. Очень часто показания бывают неточными из‐за неправильного обращения с электродами. Использование готовых растворов компании HANNA поможет гарантировать правильную очистку и калибровку электродов для проведения максимально точных измерений. Готовые к применению растворы HANNA производятся с использованием тщательно проверенных химических реактивов. На новых производственных линиях применяется оборудование, калиброванное по стандартам NIST. Широкий ассортимент растворов позволяет выбрать продукцию, подходящую для специалистов различных областей деятельности.

Буферный раствор (точнее, рН буфера или ионов водорода буфер) является водный раствор, состоящий из смеси слабой кислоты и ее сопряженной базы, или наоборот. Его изменения рН очень мало, когда небольшое или умеренное количество сильной кислоты или основания добавляют к нему, и, таким образом, используется для предотвращения изменения рН раствора. Буферные растворы используются в качестве средства поддержания рН в почти постоянное значение в широком разнообразии химических приложений. Многие формы жизни развиваться только в относительно небольшом диапазоне рН, чтобы они используют буферный раствор для поддержания постоянного рН.Одним из примеров буферном растворе, найденного в природе в крови.

Принципы буферизации

Буферные растворы достижения их устойчивости к изменению рН из-за наличия равновесия между кислоты НА и ее сопряженное основание A -.

HA H + + -

Когда некоторые сильная кислота добавляется в равновесной смеси в слабой кислоте и ее сопряженного основания, равновесие смещается влево, в соответствии с принципом Ле-Шателье. Из-за этого, концентрация ионов водорода увеличивается меньше, чем количество ожидаемых к количества сильной кислоты добавляют. Аналогичным образом, если сильной щелочи добавляют к смеси концентрация ионов водорода уменьшается меньше, чем количество ожидаемых к количеству щелочи добавляют. Эффект иллюстрируется моделируемой титрования слабой кислоты с рК а = 4,7. Относительная концентрация недиссоциированного кислоты показаны синим цветом и сопряженного с ней основания в красный цвет.Изменения рН относительно медленно в регионе буфера, рН = PK ± 1 с центром в рН = 4,7, где [HA] = [ - ]. Концентрация ионов водорода уменьшается менее чем на сумму ожидаемого, потому что большинство добавляют гидроксид-иона расходуется в реакции

OH - + HA → H 2 O + -

и лишь немного потребляется в реакции нейтрализации, что приводит к увеличению рН.

ОН - + Н + → Н 2 О

После того, как кислота является более чем на 95% депротонированные рН быстро возрастает, поскольку большая часть добавленной щелочи расходуется в реакции нейтрализации.

Применение

Буферные растворы необходимы, чтобы сохранить правильную рН для ферментов во многих организмов на работу. Многие ферменты работают только в очень точных условий; если рН перемещается за пределы узкого диапазона, ферменты замедлить или остановить работы и может денатурации. Во многих случаях денатурация может полностью отключить их каталитическую активность. [ 1 ] буфер угольной кислоты (H 2 CO 3 ) ибикарбонат (НСО 3 - ) присутствует в плазме крови, чтобы поддерживать рН между 7,35 и 7,45.

Промышленно, буферные растворы используются в бродильных процессов и в определении правильных условий для красителей, используемых в красящих тканей. Они также используются в химическом анализе [ 2 ] и калибровки рН-метров.

Большинство биологических образцов, которые используются в исследованиях сделаны в буферах, особенно фосфатно-солевой буфер (PBS), рН 7,4.

Простые буферные агенты

Буферный агент	рк	полезный диапазон pH
Лимонная кислота	3.13, 4.76, 6.40	2,1 - 7,4
Уксусная кислота	4,8	3,8 - 5,8
KH 2 PO 4,	7,2	6,2 - 8,2
CHES	9,3	8.3-10.3
Борат	9.24	8.25 - 10.25

Для буферов в регионах кислоты, рН можно довести до желаемой величины путем добавлени сильной кислоты, такой как хлористо-водородной кислоты к буферного агента. Для щелочных буферов, сильное основание, такое как гидроксид натрия может быть добавлен. Кроме того, буферная смесь может быть изготовлен из mixure кислоты и сопряженного с ней основания. Например, ацетатный буфер могут быть изготовлены из смеси уксусной кислоты и ацетата натрия. Аналогично щелочной буфер может быть изготовлена ​​из смеси основания и сопряженной кислоты.

"Универсальные" буферной смеси

Объединив вещества с Р К А значения отличающиеся только два или меньше и доведением рН, широкий диапазон буферов могут быть получены. Лимонная кислота является полезным компонентом буферной смеси, поскольку она имеет три р K A значения, разделенные менее чем два. Диапазон буфер может быть продлен путем добавления других буферные агенты. Следующие двухкомпонентные смеси (буферные растворы McIlvaine) обладают буферной диапазоне рН от 3 ​​до 8. [ 3 ]

0,2 М Na 2 HPO 4 / мл	0,1 М лимонная кислота / мл	рН...
20.55	79.45	3,0
38.55	61.45	4,0
51.50	48.50	5,0
63.15	36.85	6,0
82.35	17.65	7,0
97.25	2,75	8,0

Смесь, содержащую лимонную кислоту, первичный кислый фосфат, борную кислоту и диэтиловый барбитуровой кислоты могут быть сделаны, чтобы покрыть диапазоне рН от 2,6 до 12.

Другие универсальные буферы Кармоди буфер и Бриттон-Робинсон буфер, разработанный в 1931 году.

Общие соединения буфера, используемого в биологии

Биологические буферы охватывают диапазон от 1,9 до 11 рН.

Буферная емкость

Буферная емкость, β, является количественной мерой сопротивления буферного раствора к изменению рН при добавлении ионов гидроксида. Она может быть определена следующим образом. где дп бесконечно малое количество добавленного основания и D (P [H + ]) является в результате бесконечно малое изменение в cologarithm концентрации ионов водорода. При таком определении буферной емкости слабой кислоты, с константой диссоциации K а, может быть выражена как где С представляет собой аналитический концентрация кислоты. рН определяется как -log 10 [H + ].

Существуют три области высокой буферной емкостью.

• При очень низкой р [H + ] Первое слагаемое преобладает и β растет пропорционально концентрации ионов водорода; Емкость буфера в геометрической прогрессии возрастает с рН. Это не зависит от наличия или отсутствия буферные агенты.
• В области р [H + ] = PK ± 2 Второе слагаемое становится важным. Буферная емкость пропорциональна концентрации буферного агента, С, так что разбавленные растворы имеют мало буферную емкость.
• При очень высокой р [H + ] Третий член преобладает и β растет пропорционально концентрации гидроксид-ионов; Емкость буфера в геометрической прогрессии возрастает с рН. Это происходит из-за собственного ионизации воды и не зависит от наличия или отсутствия буферные агенты.

Буферная емкость буферного агента находится в локальном максимуме, когда р [Н + ] = рК. Он попадает до 33% от максимального значения при P [H + ] = PK ± 1 и 10% при Р [H + ] = PK ± 1,5. По этой причине полезно диапазон примерно PK в ± 1.

Расчет буфера с рН

Одноосновный кислоты

Во-первых запишем выражение равновесия.

HA - + H +

Это показывает, что, когда кислота диссоциирует равные количества ионов водорода и аниона производятся. Равновесные концентрации этих трех компонентов может быть рассчитана в таблице ICE.

ICE стол для одноосновной кислотой

	[HA]	[ - ]	[H + ]
Я	C 0	0	Y
C	-x	х	х
Е	C 0 -x	х	х + у

Первый ряд, помеченный я, перечисляет начальные условия: концентрация кислоты C 0, изначально недиссоциированной, так что концентрации - и H + будет равна нулю; у является начальная концентрациядобавленной сильной кислоты, такой как соляная кислота. Если сильной щелочи, такой как гидроксид натрия, добавляют у будет иметь отрицательный знак, так как щелочи удаляет ионы водорода из раствора.Второй ряд, помеченный C перемен, определяет изменения, которые происходят, когда кислота диссоциирует. Концентрация кислоты уменьшается на сумму -х и концентрации - и Н + как с ростом на величину + X. Это следует из выражения равновесия. Третий ряд, помеченный E для равновесных концентраций, складывает первые два ряда и показывает концентрации, при равновесии.

Что касается конкретных значений для C 0, K и Y это уравнение может быть решено для х. Если предположить, что рН = -log 10 [H + ] рН может быть рассчитан как рН = -log 10 (х + у).

Полипротонные кислоты

Полипротонные кислоты являются кислотами, которые могут потерять больше, чем один протон. Константа диссоциации первого протона может быть обозначен как K a1 и констант диссоциации протонов последовательных как K a2 и т.д. лимонной кислоты, H 3 А, является примером полипротонной кислоты, как она может потерять три протона.

Когда разность между последовательными р К значений меньше, чем примерно три существует перекрытие между диапазоне рН существования вида в равновесии. Чем меньше эта разница, тем больше перекрытие. В случае лимонной кислоты, перекрытие обширна и растворы лимонной кислоты буферизуются во всем диапазоне от рН 2,5 до 7,5.

Расчет рН с полипротонной кислоты требует расчета видообразования, которые должны выполняться. В случае лимонной кислоты, это влечет за собой решение двух уравнений баланса массы. С является аналитической концентрация кислоты, С Н является аналитической концентрации добавленных ионов водорода, β д являются совокупные константы ассоциации К W является постоянной для самостоятельной ионизации воды. Есть два нелинейные одновременных уравнений в двух неизвестных величин [ 3- ] и [H + ]. Многие компьютерные программы доступны, чтобы сделать этот расчет. Видообразование схема для лимонной кислоты был получен с помощью программы Хисс.