Буферные растворы pH: краткий обзор

Выполняя функции как кислоты (отдающей протоны), так и основания (принимающей протоны), буферные агенты способны поддерживать стабильный уровень pH, благодаря чему наши молекулы остаются в хорошем состоянии, и нам не нужно беспокоиться о колебаниях количества «свободных» протонов (H⁺). Именно это и измеряет pH — кислотность, которая показывает, сколько свободных протонов (H⁺) находится в растворе. Я говорю «свободные», но на самом деле большинство протонов в водном растворе быстро присоединяются к молекуле воды, образуя ион гидроксония (H₃O⁺). Кислота (в одном из определений) — это вещество, которое отдает протоны, а основание (в другом определении) — это вещество, которое принимает протоны. Таким образом, pH — это сумма эффектов всех кислот и оснований, присутствующих в растворе. Подробнее: http://bit.ly/phbuffers pH — это обратный логарифм концентрации протонов: pH = log10(1/[H⁺]). Деление на большее значение дает меньшее, а логарифмическая часть лишь уменьшает числа и упрощает работу с ними, поэтому чем больше протонов (тем кислее раствор), тем ниже pH. Мы называем pH 7 «нейтральным» — выше него (меньше протонов), а раствор — ОСНОВНЫМ или ЩЕЛОЧНЫМ — ниже 7 (следовательно, больше протонов), и мы называем его КИСЛЫМ. Мне нравится представлять себе своего рода «банку для печенья с протонами», где полнота банки соответствует pH (чем полнее банка → ниже pH → более кислый), и насколько полна банка в любой момент времени, зависит от количества отдающих протоны (кислот) и принимающих протоны (оснований). Но это еще не все — все зависит и от того, насколько они «скупы», насколько они готовы отдавать или брать? Кислота — это молекула, которая может отдать протон (H⁺), но это не значит, что она всегда этого хочет… Вместо того чтобы думать о том, хочет ли кислота избавиться от H⁺, иногда полезно подумать о том, насколько неохотно она их отдает. Готовность кислоты отдать H⁺ зависит от окружающей среды — от того, сколько «свободного» H⁺ уже существует. Если вокруг много H⁺, желание кислоты отдать его невелико. НО если вокруг мало H⁺, кислота «чувствует себя виноватой» и отдает 1 протон, чтобы помочь. pKa — это показатель того, насколько экстремальными (т. е. основными/щелочными) должны быть условия, чтобы кислота отдала свой H⁺. Мы часто используем «HA» как общее сокращение для кислоты, а A⁻ как общее сокращение для ее депротонированной формы. Таким образом, HA → H⁺ + A⁻. Но это обратимый процесс. Теперь A⁻ может захватить протон, чтобы снова стать HA, H⁺ + A⁻ → HA, и поскольку захватчики протонов называются основаниями, мы можем назвать A⁻ «сопряженным основанием» HA. Это обозначение HA/A⁻ обычно используется для «слабых кислот/оснований», которые могут находиться либо в форме сопряженной кислоты, либо в форме сопряженного основания. А чтобы определить, сколько какой формы присутствует, нужно разобраться с их pKa. ⚠️ Не путайте pKa с pH. pH — это показатель общей концентрации протонов ([H⁺]) из любого источника. Это включает в себя: саму воду: H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻ И/ИЛИ кислоту(ы) (HA), растворенную в ней: HA ⇌ H⁺ + A⁻ ⚠️ pKa и pH — разные величины: pKa — это (постоянное) свойство молекулы*, тогда как pH — это (изменяющееся) свойство *раствора pH и pKa — разные величины, НО напрямую связаны уравнением Хендерсона-Хассельбаха: pH = pKa + log[A⁻]/[HA] pKa — это значение pH, при котором половина молекул кислоты отдала H⁺ При любом значении pH выше pKa кислоты молекула этой кислоты с большей вероятностью будет депротонирована, чем протонирована вероятность увеличивается по мере увеличения значения pKa. Например, 1% депротонируется при 2 единицах pH ниже pKa, а 99% депротонируется при 2 единицах pH выше pKa. Разные кислоты имеют разные «пороги готовности» Более сильные кислоты более щедры и имеют более низкие значения pKa — даже небольшой дефицит H⁺ в окружающей среде, и они отдадут 1 ион. Более слабые кислоты более «жадны» — у них более высокие значения pKa, что означает, что они не отдадут H⁺, пока не возникнет большой дефицит. Если вы хотите узнать, какая доля кислоты будет депротонирована ([A⁻]/[HA]), вы можете рассчитать это, используя преобразование уравнения Хендерсона-Хассельбаха (если известны pH и pKa). pH = pKa + log[A⁻]/[HA] [A⁻]/[HA] = антилог(pH-pKa) Когда pH = pKa, вы получаете соотношение 1 (равное количество протонированной формы (сопряженная кислота) и депротонированной формы (сопряженное основание)). Когда pH больше pKa, [A⁻] больше, чем [HA]. Когда pH меньше pKa, [A⁻] меньше, чем [HA]. БУФЕРЫ — это слабые кислоты, которые используются вблизи их pKa, где количество кислотной и основной форм почти равно, и они «колеблются» в отношении отдачи или отдачи протонов, поэтому их легко «убедить» небольшими изменениями концентрации протонов. Вы можете регулировать pH, который поддерживает буфер, регулируя количество протонов в «протонном сосуде» в начале эксперимента. Но вы не можете слишком сильно отклоняться от pKa буфера и при этом сохранять стабилизацию. Разные буферные мо...