Определение буфера в химии и биологии

буфер – это раствор, содержащий либо слабую кислоту и ее соль, либо слабое основание и ее соль, устойчивый к изменениям pH. Другими словами, буфер представляет собой водный раствор либо слабой кислоты и его сопряженного основания, либо слабого основания и его сопряженной кислоты. Буфер также может называться pH-буфером, водородным ионным буфером или буферным раствором.

Буферы используются для поддержания стабильного pH в растворе, поскольку они может нейтрализовать небольшое количество дополнительной кислоты или основания. Для данного буферного раствора существует рабочий диапазон pH и установленное количество кислоты или основания, которое может быть нейтрализовано до изменения pH. Количество кислоты или основания, которое может быть добавлено в буфер перед изменением его pH, называется его буферной емкостью.

Уравнение Хендерсона-Хассельбаха можно использовать для измерения приблизительного pH буфера. Чтобы использовать уравнение, вместо равновесной концентрации вводится начальная или стехиометрическая концентрация.

Общая форма буферной химической реакции:

HA ⇌ H ⁺ + A ^–

Содержание

Примеры буферов
Как работают буферы
Универсальные буферы
Ключевые выводы о буфере
Источники

Примеры буферов

кровь – содержит бикарбонатную буферную систему
TRIS-буфер
фосфатный буфер

Как указано, буферы полезны в определенных диапазонах pH. Например, вот диапазон pH обычных буферных агентов:

	pKa	диапазон pH
лимонная кислота	3,13., 4,76, 6,40	2,1–7,4
уксусная кислота	4.8	от 3,8 до 5,8
KH ₂ PO ₄	7.2	от 6,2 до 8,2
борат	9,24	8,25–10,25
CHES	9,3	от 8,3 до 10,3

Когда готовится буферный раствор, pH раствор корректируется, чтобы получить его в правильном эффективном диапазоне. Обычно сильная кислота, такая как соляная кислота (HCl), добавляется для понижения pH кислых буферов. Сильное основание, такое как раствор гидроксида натрия (NaOH), добавляется для повышения pH щелочных буферов.

Как работают буферы

Чтобы понять, как работает буфер, рассмотрим пример буферного раствора, полученного путем растворения ацетата натрия в уксусной кислоте. Уксусная кислота (как вы можете понять из названия) представляет собой кислоту: CH ₃ COOH, в то время как ацетат натрия диссоциирует в растворе с образованием конъюгированного основания, ацетат-иона CH ₃ COO ^–. Уравнение реакции:

CH ₃ COOH (aq) + OH ^– (водн.) ⇆ CH ₃ COO ^– (aq) + H ₂ O (aq)

Если к этому раствору добавить сильную кислоту, ион ацетата нейтрализует ее:

CH ₃ COO ^– (aq) + H ⁺ (aq) ⇆ CH ₃ COOH (водн.)

Это сдвигает равновесие начальной буферной реакции, сохраняя стабильный pH. С другой стороны, сильное основание будет реагировать с уксусной кислотой.

Универсальные буферы

Большинство буферов работают с относительно узкий диапазон pH. Исключением является лимонная кислота, поскольку она имеет три значения pKa. Когда соединение имеет несколько значений pKa, для буфера становится доступен больший диапазон pH. Также возможно комбинировать буферы, при условии, что их значения pKa близки (отличаются на 2 или меньше), и регулировать pH с помощью сильного основания или кислоты для достижения необходимого диапазона. Например, буфер Макивейна получают путем объединения смесей Na ₂ PO ₄ и лимонной кислоты. В зависимости от соотношения между соединениями буфер может быть эффективным при pH от 3,0 до 8,0. Смесь лимонной кислоты, борной кислоты, монофосфата калия и диэтилбарбитовой кислоты может охватывать диапазон pH от 2,6 до 12!

Ключевые выводы о буфере

Буфер – это водный раствор, используемый для поддержания почти постоянного pH раствора.
Буфер состоит из слабой кислоты и ее конъюгированного основания или слабое основание и сопряженная с ним кислота.
Буферная емкость – это количество кислоты или основания, которое может быть добавлено до изменения pH буфера.
Пример буферный раствор – это бикарбонат в крови, который поддерживает внутренний pH организма.

Источники

Батлер, Дж. Н. (1964). Ионное равновесие: математический подход . Эддисон-Уэсли. п. 151.
Кармоди, Уолтер Р. (1961). «Легко приготовляемая серия буферов широкого ассортимента». Дж. Chem. Образовательный . 38 (11): 559–560. DOI: 10.1021/ed038p559
Хуланики, А. (1987). Реакции кислот и оснований в аналитической химии . Перевод Массона, Мэри Р. Хорвуд. ISBN 0-85312-330-6.
Mendham, J .; Denny, R.C .; Barnes, J.D .; Томас, М. (2000). «Приложение 5». Учебник количественного химического анализа Фогеля (5-е изд.). Харлоу: Образование Пирсона. ISBN 0-582-22628-7.
Скорпион, Р. (2000). Основы кислот, оснований, буферов и их применения в биохимических системах . ISBN 0-7872-7374-0.