Најважније из лекције
Пуфери су смеше конјугованих киселинско-базних парова (слаба киселина + со / слаба база + со) које одржавају стабилан \(\text{pH}\).
Механизам: Додата киселина (\(\text{H}_3\text{O}^+\)) се неутралише базном компонентом, а додата база (\(\text{OH}^-\)) киселом компонентом пуфера.
Прорачун: \([\text{H}_3\text{O}^+] = \frac{K_a \cdot c_{\text{киселине}}}{c_{\text{соли}}}\) (кисели пуфер) или \([\text{OH}^-] = \frac{K_b \cdot c_{\text{базе}}}{c_{\text{соли}}}\) (базни пуфер).
Значај: Регулишу \(\text{pH}\) вредност биолошких система (крв – бикарбонатни, фосфатни и протеински пуфери) и индустријских реакција.
Механизам: Додата киселина (\(\text{H}_3\text{O}^+\)) се неутралише базном компонентом, а додата база (\(\text{OH}^-\)) киселом компонентом пуфера.
Прорачун: \([\text{H}_3\text{O}^+] = \frac{K_a \cdot c_{\text{киселине}}}{c_{\text{соли}}}\) (кисели пуфер) или \([\text{OH}^-] = \frac{K_b \cdot c_{\text{базе}}}{c_{\text{соли}}}\) (базни пуфер).
Значај: Регулишу \(\text{pH}\) вредност биолошких система (крв – бикарбонатни, фосфатни и протеински пуфери) и индустријских реакција.
Пуфери су раствори који имају способност да се одупру промени \(\text{pH}\) вредности при додатку мањих количина јаких киселина или јаких база.
Пуфери су смеше које се састоје из конјугованог киселинско-базног пара:
- Кисели пуфери: слаба киселина и њена конјугована база (со те слабе киселине и јаке базе).
- Базни пуфери: слаба база и њена конјугована киселина (со те слабе базе и јаке киселине).
| Назив пуфера | Слаба киселина / база | Конјуговани пар (со) | Тип |
|---|---|---|---|
| Бикарбонатни пуфер | \(\text{H}_2\text{CO}_3\) (\(\text{CO}_2(\text{aq})\)) | \(\text{HCO}_3^-\) (\(\text{NaHCO}_3\)) | Неоргански |
| Фосфатни пуфер | \(\text{H}_2\text{PO}_4^-\) (\(\text{KH}_2\text{PO}_4\)) | \(\text{HPO}_4^{2-}\) (\(\text{K}_2\text{HPO}_4\)) | Неоргански |
| Ацетатни пуфер | \(\text{CH}_3\text{COOH}\) | \(\text{CH}_3\text{COO}^-\) (\(\text{CH}_3\text{COONa}\)) | Органски |
| Амонијачни пуфер | \(\text{NH}_3(\text{aq})\) (\(\text{NH}_4\text{OH}\)) | \(\text{NH}_4^+\) (\(\text{NH}_4\text{Cl}\)) | Неоргански |
Одредити која од компоненти у ацетатном пуферу (\(\text{CH}_3\text{COOH} / \text{CH}_3\text{COONa}\)) представља слабу киселину, а која конјуговану базу.
Слаба киселина је сирћетна киселина (\(\text{CH}_3\text{COOH}\)), а конјугована база је ацетатни јон (\(\text{CH}_3\text{COO}^-\)) који потиче од соли натријум-ацетата (\(\text{CH}_3\text{COONa}\)).
Својство пуфера да одржава константну \(\text{pH}\) вредност заснива се на уклањању додатих \(\text{H}_3\text{O}^+\) или \(\text{OH}^-\) јона реакцијом са компонентама пуфера:
Додати хидронијум-јони (\(\text{H}_3\text{O}^+\)) реагују са базном компонентом пуфера (конјугованом базом или слабом базом):
- У амонијачном пуферу: \[ \text{NH}_3 + \text{H}_3\text{O}^+ \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{H}_2\text{O} \]
- У фосфатном пуферу: \[ \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}_3\text{O}^+ \rightleftharpoons \text{H}_2\text{PO}_4^- + \text{H}_2\text{O} \]
Додати хидроксидни јони (\(\text{OH}^-\)) реагују са киселом компонентом пуфера (слабом киселином или конјугованом киселином):
- У амонијачном пуферу: \[ \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \rightleftharpoons \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \]
- У фосфатном пуферу: \[ \text{H}_2\text{PO}_4^- + \text{OH}^- \rightleftharpoons \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}_2\text{O} \]
Присуство заједничког јона из соли (према Ле Шатељеовом принципу) сузбија дисоцијацију слабе киселине/базе, као и хидролизу јона из соли, па у раствору доминирају молекули слабе киселине/базе и јони конјугованог пара.
Написати једначине реакција које се дешавају када се у пуфер састављен од сирћетне киселине и калијум-ацетата дода: а) \(\text{NaOH}\), б) \(\text{HCl}\).
а) При додатку јаке базе (\(\text{OH}^-\)), реагује слаба киселина:
\[ \text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O} \]
б) При додатку јаке киселине (\(\text{H}_3\text{O}^+\)), реагује конјугована база:
\[ \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_3\text{O}^+ \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \]
Пошто је дисоцијација киселине/базе сузбијена, важе апроксимације:
\[ c_{\text{киселине}} = [\text{HA}], \quad c_{\text{соли}} = [\text{A}^-] \]
\[ c_{\text{базе}} = [\text{B}], \quad c_{\text{соли}} = [\text{BH}^+] \]
За кисели пуфер:
\[ [\text{H}_3\text{O}^+] = \frac{K_a \cdot c_{\text{киселине}}}{c_{\text{соли}}} \implies \text{pH} = -\log[\text{H}_3\text{O}^+] \]
\(K_a\) – константа дисоцијације слабе киселине; \(c_{\text{киселине}}\) и \(c_{\text{соли}}\) – концентрације киселине и соли.
За базни пуфер:
\[ [\text{OH}^-] = \frac{K_b \cdot c_{\text{базе}}}{c_{\text{соли}}} \implies \text{pOH} = -\log[\text{OH}^-], \quad \text{pH} = 14 - \text{pOH} \]
\(K_b\) – константа дисоцијације слабе базе; \(c_{\text{базе}}\) и \(c_{\text{соли}}\) – концентрације базе и соли.
Колика је концентрација \([\text{H}_3\text{O}^+]\) јона у ацетатном пуферу где је \(c(\text{CH}_3\text{COOH}) = 0{,}1\text{ mol/dm}^3\), \(c(\text{CH}_3\text{COONa}) = 0{,}1\text{ mol/dm}^3\), а \(K_a = 1{,}8 \cdot 10^{-5}\text{ mol/dm}^3\)?
\[ [\text{H}_3\text{O}^+] = \frac{1{,}8 \cdot 10^{-5} \cdot 0{,}1}{0{,}1} = 1{,}8 \cdot 10^{-5}\text{ mol/dm}^3 \]
\[ \text{pH} = -\log(1{,}8 \cdot 10^{-5}) \approx 4{,}74 \]
Капацитет пуфера је опсег количине киселине или базе која се може додати одређеној запремини пуфера, а да се при томе његова \(\text{pH}\) вредност битно не промени.
Киселина или база се не могу додавати у неограниченим количинама – прекорачењем капацитета пуфера долази до нагле промене \(\text{pH}\) вредности.
Одржавање сталне вредности \(\text{pH}\) од кључног је значаја за функционисање живих организама. У крви и телесним течностима \(\text{pH}\) вредност се одржава помоћу:
- Бикарбонатног пуфера (\(\text{H}_2\text{CO}_3 / \text{HCO}_3^-\))
- Фосфатног пуфера (\(\text{H}_2\text{PO}_4^- / \text{HPO}_4^{2-}\))
- Протеинских пуфера
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који од наведених парова супстанци може да чини пуферски раствор?
а) \(\text{HCl}\) и \(\text{NaCl}\)
б) \(\text{CH}_3\text{COOH}\) и \(\text{CH}_3\text{COONa}\)
в) \(\text{NaOH}\) и \(\text{NaCl}\)
а) \(\text{HCl}\) и \(\text{NaCl}\)
б) \(\text{CH}_3\text{COOH}\) и \(\text{CH}_3\text{COONa}\)
в) \(\text{NaOH}\) и \(\text{NaCl}\)
Одговор: б) \(\text{CH}_3\text{COOH}\) и \(\text{CH}_3\text{COONa}\).
Образложење: Пуфер чини слаба киселина (\(\text{CH}_3\text{COOH}\)) и њена со која садржи конјуговану базу (\(\text{CH}_3\text{COONa}\)). \(\text{HCl}\) и \(\text{NaOH}\) су јаки електролити и са својим солима не граде пуфере.
Образложење: Пуфер чини слаба киселина (\(\text{CH}_3\text{COOH}\)) и њена со која садржи конјуговану базу (\(\text{CH}_3\text{COONa}\)). \(\text{HCl}\) и \(\text{NaOH}\) су јаки електролити и са својим солима не граде пуфере.
Задатак 2 (средњи): Написати једначине хемијских реакција које илуструју пуферско деловање бикарбонатног пуфера (\(\text{H}_2\text{CO}_3/\text{HCO}_3^-\)) при додатку:
а) мале количине азотне киселине (\(\text{HNO}_3\))
б) мале количине калијум-хидроксида (\(\text{KOH}\))
а) мале количине азотне киселине (\(\text{HNO}_3\))
б) мале количине калијум-хидроксида (\(\text{KOH}\))
а) При додатку киселине, хидронијум-јони реагују са хидрогенкарбонатним јоном:
\[ \text{HCO}_3^- + \text{H}_3\text{O}^+ \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} \]
б) При додатку базе, хидроксидни јони реагују са угљеном киселином:
\[ \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{OH}^- \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \]
Задатак 3 (тежак): Израчунати \(\text{pH}\) вредност пуферског раствора који настаје растварањем \(0{,}82\text{ g}\) натријум-ацетата (\(\text{CH}_3\text{COONa}\)) у \(1\text{ dm}^3\) раствора сирћетне киселине концентрације \(0{,}5\text{ mol/dm}^3\). Константа дисоцијације сирћетне киселине је \(K_a = 1{,}8 \cdot 10^{-5}\text{ mol/dm}^3\), а моларна маса натријум-ацетата је \(M(\text{CH}_3\text{COONa}) = 82\text{ g/mol}\).
1. Корак: Израчунавање количине и концентрације соли у пуферу:
\[ n(\text{соли}) = \frac{m}{M} = \frac{0{,}82\text{ g}}{82\text{ g/mol}} = 0{,}01\text{ mol} \]
\[ c_{\text{соли}} = \frac{n}{V} = \frac{0{,}01\text{ mol}}{1\text{ dm}^3} = 0{,}01\text{ mol/dm}^3 \]
2. Корак: Израчунавање концентрације хидронијум-јона:
\[ [\text{H}_3\text{O}^+] = \frac{K_a \cdot c_{\text{киселине}}}{c_{\text{соли}}} = \frac{1{,}8 \cdot 10^{-5}\text{ mol/dm}^3 \cdot 0{,}5\text{ mol/dm}^3}{0{,}01\text{ mol/dm}^3} = 9 \cdot 10^{-4}\text{ mol/dm}^3 \]
3. Корак: Израчунавање \(\text{pH}\) вредности:
\[ \text{pH} = -\log[\text{H}_3\text{O}^+] = -\log(9 \cdot 10^{-4}) = 4 - \log 9 \approx 4 - 0{,}95 = 3{,}05 \]
Одговор: \(\text{pH}\) пуфера износи \(3{,}05\).
