Буферен капацитет

Сега ще разгледаме какво е буферен капацитет. Буферният капацитет е свойство на буферите, което ни показва колко киселина или основа можем да добавим, преди да започне да се променя рН. Принципно буферният капацитет, който ще записвам съкратено като ВС, принципно показва, какво количество киселина или основа можеш да добавиш към буфера, преди рН да започне да се променя значително. Това може да звучи много общо и описателно, но нека да видим един пример, за да разберем какво точно е това. В този пример ще разгледаме буфер с оцетна киселина. Оцетната киселина е СН3СООН. Можем да я представим съкратено като НА. Тя е във воден разтвор, където протича обратима реакция и се получава Н+ и СН3СОО– или ацетат. Можем да съкратим ацетатния йон като А–. Малко повече информация за този конкретен буфер. За оцетната киселина Ка е равна на 1,8 по 10^(–5). И ако вземем –log от това, получаваме рКа, което също ни е полезно. рКа на оцетната киселина е 4,74. Това ни казва много за поведението на оцетната киселина като буфер. И последното нещо, което ни е необходимо, за да предскажем поведението на нашия буфер, е какво е отношението между НА и А–. Ще разгледаме буферен разтвор, в който отношението А–/НА е равно на 1,82. На база това съотношение можем да изчислим рН. Началното рН на буфера, преди да направим каквото и да е, преди да добавим киселина или основа, началното рН на буфера можем да изчислим с помощта на уравнението на Хендерсън-Хаселбах. То ни казва, че рН е равно на рКа плюс log от концентрацията на А– или ацетата, върху концентрацията на оцетната киселина. И ако нямаш 100% сигурност при използването на това уравнение, или искаш да знаеш откъде идва то, ние имаме отделни видеа за това, така че ти препоръчвам да ги видиш. В това видео ние просто ще използваме готовата формула. Ако заместя в нея тези стойности, получаваме, че началното рКа, което е равно на 4,74, плюс log от 1,82, което е отношението на А– върху НА. Така получаваме, че началното рН е равно на 5,00. Сега ще разгледаме два различни буфера, като и двата са направени от оцетна киселина и ацетат. Ще ги нарека буфер 1 и буфер 2. Значи буфер 1 има отношение А–/NHA равно на 1,82. Значи тук рН ще бъде пет. И концентрацията на А–, преди да направим каквото и да е, преди да добавим нещо, е 0,90 мол/литър. А концентрацията на НА е равна на 0,49 мола/литър. Вторият буфер, който ще сравним с този, ще наречем буфер две. Буфер две има същото съотношение между киселина и основа, само че и двете концентрации са десет пъти по-малки от тези в буфер едно. Значи концентрацията на А– е 0,090 мол/литър. А концентрацията на оцетната киселина е 0,049 мол/литър. И сега ще видим какво ще се случи с РН на двата буфера. И двата имат начално рН = 5, но как ще се промени то, когато добавим... Ще добавим 0,04 мол/л силна основа, натриев хидроксид, към един литър буферен разтвор. Когато направим това... това е буфер. Знаем, че той ще противостои на промяната на рН, но какво точно ще се случи? Каква реакция ще протече, когато добавим това? Когато добавим силна основа, тя ще се дисоциира на ОН–, което ще реагира с киселината в нашия буфер. Нашата киселина е СН3СООН. Винаги приемаме, че силната основа реагира необратимо. Затова имаме стрелка в едната посока. Това, което се случва, е че този протон ще реагира с ОН– и ще получим Н2О, вода. И ще получим СН3СОО–. Това е нашата основа. И виждаме също така, че хидроксидът ще реагира едно към едно със нашата слаба киселина и ще се получи една еквивалентна част от нашата основа. Сега можем да използваме тази информация, за да изчислим какво ще се случи в нашите буфери, когато добавим 0,04 мол/литър натриев хидроксид. И това, което ще се случи, е, че тя ще реагира с киселината. Което означава, че концентрацията на оцетната киселина ще се понижи с 0,04 мола/литър. И концентрацията след реакцията ще бъде 0,45 мол/литър. Извинявам се, опитах се да го сметна наум. И какво ще се случи с концентрацията на основата? Запомни, че когато киселината реагира с натриевия хидроксид, ние всъщност получаваме повече основа. Значи трябва да коригираме концентрацията на А– нагоре. В действителност се получава 0,04 мол/литър ацетат, когато реакцията протече. Така че концентрацията на нашия ацетатен йон е 0,94 мол/литър. Това са крайните концентрации. Сега можем да ги заместим в уравнението на Хендерсън-Хаселбах, за да намерим рН. Значи рН на буфер едно, ще сложа тук един малък индекс, ще бъде 4,74, рКа, плюс log от 0,94 мол/литър, делено на 0,45 мол/литър. Ще използвам калкулатора, за да сметна колко е рН след като добавим хидроксида, и получавам 5,06. Значи малко повече. Покачило се е с 0,06. Това е логично. Очакваме да е по-високо. Ако добавим основа, разтворът става по-основен и рН следва да се покачи. Но не се е променило много, защото това е буфер. Сега нека да видим какво се случва с буфер две. Добавяме 0,04 мол/л натриев хидроксид към буфер две. Концентрацията на оцетната киселина се понижава с 0,04 мол/л. Значи концентрацията на НО става 0,009 мол/литър. При същата реакция, концентрацията на основата ще се покачи, тъй като киселината реагира и се получава повече от спрегнатата основа. Значи ще имаме плюс 0,04 мол/л концентрация на А–. Значи новата концентрация ще бъде 0,13 мол/литър. И можем да заместим с тези концентрации в уравнението на Хендерсън-Хаселбах и ще получим, че рН на буфер две е равно на 4,74, рКа, плюс log от 0,13 мол/литър, делено на 0,009 мол/литър. Въвеждам тези в калкулатора, това е равно на 1,16. Като го съберем с рКа, получаваме, че новото рН е 5,90 мол/литър. Значи рН се промени много повече за буфер две спрямо буфер едно. рН се повиши с 0,9 в сравнение с 0,06. Значи като сравняваме буферния капацитет на тези два буфера, можем да кажем, че буфер едно, се промени много по-малко, когато добавихме еднакво количество киселина или основа. Следователно буфер едно има по-висок буферен капацитет. Ти не би искал концентрациите на А– и НА да са твърде ниски, общото правило е, че концентрациите на НА и А– трябва да се между 0,10 мол/л и 1,0 мол/литър. И следвайки това общо правило можеш да направиш буфер, за който няма да се тревожиш, дали ще добавиш твърде много киселина или основа, преди да се промени рН, тъй като точно затова правим буферите, за да поддържат рН постоянно.