- объяснение
- Математическое развитие
- Уравнение для слабого основания
- Как работает буфер?
- Демпфирующее действие
- Емкость буфера
- Примеры уравнений Хендерсона
- Амортизатор из ацетата
- Поглотитель угольной кислоты
- Лактатный буфер
- Фосфатный буфер
- оксигемоглобина
- дезоксигемоглобин
- Решенные упражнения
- Упражнение 1
- Упражнение 2.
- Упражнение 3.
- Ссылки
Уравнение Хендерсона-Хассельбаха - это математическое выражение, которое позволяет рассчитать pH буферного раствора или буферного раствора. Он основан на pKa кислоты и соотношении концентраций основания или соли конъюгата и кислоты, присутствующей в буферном растворе.
Уравнение было первоначально разработано Лоуренсом Джозефом Хендерсоном (1878-1942) в 1907 году. Этот химик установил компоненты своего уравнения на основе угольной кислоты в качестве буфера или буфера.
Уравнение Хендерсона-Хассельбаха. Источник: Габриэль Боливар.
Позже Карл Альберт Хассельбах (1874-1962) ввел в 1917 году использование логарифмов для дополнения уравнения Хендерсона. Датский химик изучал реакции крови с кислородом и влияние на ее pH.
Буферный раствор способен минимизировать изменения pH, которым подвергается раствор, путем добавления некоторого объема сильной кислоты или сильного основания. Он состоит из слабой кислоты и ее сильного сопряженного основания, которое быстро диссоциирует.
объяснение
Математическое развитие
Слабая кислота в водном растворе диссоциирует по закону действия масс по следующей схеме:
НА + Н 2 О ⇌ Н + + А -
HA - слабая кислота, а A - сопряженное с ней основание.
Эта реакция обратима и имеет константу равновесия (Ka):
Ka = · /
Логарифм:
журнал Ka = журнал + журнал - журнал
Если каждый член уравнения умножить на (-1), он выражается в следующей форме:
- журнал Ka = - журнал - журнал + журнал
-Log Ka определяется как pKa, а -log определяется как pH. После правильной замены математическое выражение сводится к:
pKa = pH - log + log
Решив для pH и перегруппировав члены, уравнение выражается следующим образом:
pH = pKa + log /
Это уравнение Хендерсона-Хассельбаха для слабокислотного буфера.
Уравнение для слабого основания
Точно так же слабое основание может образовывать буфер, и уравнение Хендерсона-Хассельбаха для него выглядит следующим образом:
pOH = pKb + log /
Однако большинство буферов, даже имеющих физиологическое значение, образуются в результате диссоциации слабой кислоты. Поэтому наиболее часто используемым выражением для уравнения Хендерсона-Хассельбаха является:
pH = pKa + log /
Как работает буфер?
Демпфирующее действие
Уравнение Хендерсона-Хассельбаха показывает, что этот раствор состоит из слабой кислоты и сильного сопряженного основания, выраженного в виде соли. Эта композиция позволяет буферу сохранять стабильный pH даже при добавлении сильных кислот или оснований.
Когда в буфер добавляется сильная кислота, она реагирует с основанием конъюгата с образованием соли и воды. Это нейтрализует кислоту и позволяет минимизировать изменение pH.
Теперь, если в буфер добавлено сильное основание, оно вступает в реакцию со слабой кислотой и образует воду и соль, нейтрализуя действие добавленного основания на pH. Таким образом, изменение pH минимально.
PH буферного раствора зависит от соотношения концентраций основания конъюгата и слабой кислоты, а не от абсолютного значения концентраций этих компонентов. Буферный раствор можно разбавить водой, и pH практически не изменится.
Емкость буфера
Буферная способность также зависит от pKa слабой кислоты, а также от концентраций слабой кислоты и конъюгированного основания. Чем ближе к pKa кислоты pH буфера, тем больше его буферная способность.
Также, чем выше концентрация компонентов буферного раствора, тем больше его буферная емкость.
Примеры уравнений Хендерсона
Амортизатор из ацетата
pH = pKa + log /
рКа = 4,75
Поглотитель угольной кислоты
pH = pKa + log /
рКа = 6,11
Однако общий процесс, который приводит к образованию иона бикарбоната в живом организме, выглядит следующим образом:
CO 2 + H 2 O ⇌ HCO 3 - + H +
Поскольку CO 2 представляет собой газ, его концентрация в растворе выражается как функция его парциального давления.
pH = pka + log / αpCO 2
α = 0,03 (ммоль / л) / мм рт. ст.
pCO 2 - парциальное давление CO 2
Тогда уравнение будет выглядеть так:
pH = pKa + log / 0,03pCO 2
Лактатный буфер
pH = pKa + log /
рКа = 3,86
Фосфатный буфер
pH = pKa + log /
pH = pKa + log /
рКа = 6,8
оксигемоглобина
pH = pKa + log /
рКа = 6,62
дезоксигемоглобин
pH = pKa + log / HbH
рКа = 8,18
Решенные упражнения
Упражнение 1
Фосфатный буфер важен для регулирования pH тела, поскольку его pKa (6,8) близок к pH, существующему в организме (7,4). Каким будет значение отношения / уравнения Хендерсона-Хассельбаха для значения pH = 7,35 и pKa = 6,8?
Реакция диссоциации NaH 2 PO 4 - это:
NaH 2 PO 4 - (кислота) ⇌ NaHPO 4 2- (основание) + H +
pH = pKa + log /
Решая соотношение для фосфатного буфера, мы имеем:
7,35 - 6,8 = журнал /
0,535 = журнал /
10 0,535 = 10 лог /
3,43 = /
Упражнение 2.
Ацетатный буфер имеет концентрацию уксусной кислоты 0,0135 М и концентрацию ацетата натрия 0,0260 М. Рассчитайте pH буфера, зная, что pKa для ацетатного буфера составляет 4,75.
Равновесие диссоциации для уксусной кислоты:
CH 3 COOH ⇌ CH 3 COO - + H +
pH = pKa + log /
Подставляя значения, мы имеем:
/ = 0,0260 М / 0,0135 М
/ = 1,884
журнал 1.884 = 0.275
pH = 4,75 + 0,275
pH = 5,025
Упражнение 3.
Ацетатный буфер содержит 0,1 М уксусную кислоту и 0,1 М ацетат натрия. Рассчитайте pH буфера после добавления 5 мл 0,05 М соляной кислоты к 10 мл предыдущего раствора.
Первый шаг - вычислить конечную концентрацию HCl при смешивании с буфером:
ViCi = VfCf
Cf = Vi · (Ci / Vf)
= 5 мл · (0,05 М / 15 мл)
= 0,017 млн
Соляная кислота реагирует с ацетатом натрия с образованием уксусной кислоты. Следовательно, концентрация ацетата натрия уменьшается на 0,017 М, а концентрация уксусной кислоты увеличивается на такую же величину:
pH = pKa + log (0,1 M - 0,017 M) / (0,1 M + 0,017 M)
pH = pKa + log 0,083 / 0,017
= 4,75 - 0,149
= 4,601
Ссылки
- Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
- Хименес Варгас и Х. Мо Макарулла. (1984). Физиологическая физико-химия. 6-е издание. От редакции Interamericana.
- Wikipedia. (2020). Уравнение Хендерсона-Хассельбаха. Получено с: en.wikipedia.org
- Гуриндер Хайра и Александр Кот. (05 июня 2019 г.). Приближение Хендерсона-Хассельбаха. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
- Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (29 января 2020 г.). Определение уравнения Хендерсона Хассельбаха. Получено с: thinkco.com
- Редакторы энциклопедии Британника. (6 февраля 2020 г.). Лоуренс Джозеф Хендерсон. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com