محلول بافر

مقدمه
یک محلول تامپون محلولی است که pH آن در برابر افزایش مقادیر کمی اسید یا باز قوی تغییر چندانی نکند، مثلاً محلول استیک¬اسید و سدیم استات دارای چنین ویژگی است. اگر ۰۱/۰ مول HCL را به یک لیتر آب خالص اضافه کنیم pH آب از ۷ به ۲ کاهش می-یابد، اما اگر همان ۰۱/۰ مول HCL را به یک لیتر از محلولی که نسبت به استیک¬¬اسید و سدیم استات، ۱۰/۰ مولار است بیفزاییم، فقط تغییر بسیار کمی در pH حاصل می¬شود. در واقع pH محلول از ۷۴/۴ به ۶۶/۴ تغییر می¬کند. این تغییر در مقایسه با تغییر pH آب بسیار ناچیز

و نشانه¬ی آن است که محلول استیک-اسید و سدیم استات یک محلول تامپون است. به یاد داشته باشید که به محلول¬های تامپون، محلول¬های بافر نیز گفته می¬شود.
محلول¬های تامپون یا بافر از دید کاربردی اهمیت زیادی دارنـد. سلول¬های بسیاری از موجودات زنده فقط در گستره¬ی محدوده¬ای از pH قادر به ادامه حیات هستند و اگر pH غیر از آن باشد، زندگی موجود زنده با خطرات جدی همراه می¬شود.

pH خون انسان باید در گستره¬ی ۳۵/۷ الی ۴۵/۷ نگهداشته شود؛ در غیر این صورت، ادامه¬ی حیات با مشکلات جدی روبه¬رو خواهد شد. خون از این لحاظ دارای نقش تامپونی است. چکونگی برقراری خاصیت تامپونی در خون پیچیده است. سیستم در خاصیت تامپونی خون نقش اساسی دارد.
بسیاری از موجودات آبزی از جمله ماهی¬های طلایی تنها در pH ویژه¬ای قادر به ادامه¬ی حیات هستند. رعایت نکردن این امر باعث مرگ و میر آن¬ها خواهد شد. علاوه بر آن، گاه لازم است که تولید برخی از محصولات شیمیایی در pHهای معینی صورت گیرد. این مثال¬ها و مثال¬های بسیار دیگر از اهمیت محلول تامپون خبر می¬دهند. با استفاده از محلول¬های تامپون است که می¬توان تغییر pH را کنترل کرد.

برای تهیه¬ی یک محلول تامپون کافی است یک اسید ضعیف و نمک آن را در آب حل کرد. استیک¬اسید یک اسید ضعیف و سدیم استات نمک حاصل از خنثی شدن آن با سود است. از این رو، محلول این دو ماده یک محلول تامپون است. در این محلول، استیک¬اسید، ، به شکل مولکولی، سدیم استات، ، به صورت یون¬های و و مقدار کمی یون¬های که از یونش جزیی استیک¬اسید به دست می¬آیند، موجود است. چون یون¬های از باز قوی مشتق شده-اند، پایدارترندو با آب واکنش نمی¬دهند. از سوی دیگر و و در تعادل زیر شرکت می¬کنند.

در واقع وجود این تعادل است که به محلول استیک-اسید و سدیم استات خاصیت تامپونی می¬دهد. چون اگر مقدار کمی از یک اسید قوی مثلاً به محیط این تعادل افـزوده شود، یون¬های حاصل از آن، توسط یون¬های موجود در تعادل جذب شده و به مولکول¬های تبدیل می¬شوند تا از این راه با تغییر pH مقابله شود.

از سوی دیگر اگر مقدار کمی از یک باز قوی مثلاً به محیط تعادل افزوده شود، یون¬های حاصل از آن توسط مولکول¬های اسید خنثی می¬شوند تا با تغییر pH مقابله شود.

دلیل انجام دو واکنش بالا این است که از یک سو یون یک باز برونشتد است و تمایل به گرفتن پروتون دارد و از سوی دیگر مولکول یک اسید برنشتد است و تمایل دارد که به یک باز قوی مانند پروتون بدهد.

تخمین pH یک محلول تامپون
با توجه به تعادل موجود در یک محلول تامپون و اطلاعات مربوط به آن، به آسانی می¬توان به حدود pH آن پی برد. مثلاً تعادل زیر را در نظر بگیرید:

در دمای ۲۵ درجه سانتی¬گراد
و به ترتیب معرف یون استات و مولکول استیک¬اسید است. با لگاریتم گرفتن از عبارت ثابت خواهیم داشت.

یا

یا

اگر در شرایط ویژه داشته باشیم ، آنگاه

در این شرایط، برای تامپون استیک¬اسید ـ سدیم استات در دمای ۲۵ درجه سانتی¬گراد خواهیم داشت.

چون میزان یونش اسیدهای ضعیف به کار رفته در محلول¬های تامپون بسیار اندک است، غلظت اسید موجود در تعادل تقریباً با غلظت اولیه¬ی آن و همچنین، غلظت آنیون موجود در تعادل با غلظت اولیه نمک برابر است. از این رو معادله¬ی (۲) را می¬توان به شکل معادله¬ی (۳) نوشت.

این معادله برای تعیین pH هر محلول تامپون حاصل از یک اسید ضعیف و نمک مناسبی از آن به کار خواهد رفت. زیروند صفر معرف غلظت اولیه است. در حالت کلی، معادله¬ی (۳) را می¬توان به صورت زیر نوشت.

در تامپون استیک¬اسید ـ سدیم استات، یون باز مزدوج اسید است.

اکنون می¬توان ویژگی¬های یک محلول تامپون را خلاصه کرد:
۱٫ محلول تامپون دارای یک اسید ضعیف، HA و بار مزدوج آن ، است (یک محلول تامپون می¬تواند دارای یک باز ضعیف و اسید مزدوج آن نیز باشد).
۲٫ محلول تامپون از راه واکنش دادن یون¬ها یا اضافه شده و جلوگیری از ذخیره شدن آن¬ها در محلول، با تغییر pH مقابله می¬کند.
۳٫ یون¬های اضافه شده، از راه واکنش با مصرف می¬شوند.

و یون¬های اضافه شده، از راه واکنش با HA از بین می¬روند.

بافرها
محلول بافر
محلول بافر محلولی است که به علت خصلت دوگانه عملکردش، اگر به آن کمی اسید ویا بازاضافه کنیم در pH آن تغییری به وجود نمی آید. محلول بافري دو نوعند

الف) گروه اول مرکب است از ” اسید ضعیف + نمک آن اسید با باز قوی ” مثل بافر
CH3COOH+CH3COONa
این بافر برای نگهداری PH در محدوده ی اسیدی مناسبند.

ب) گروه دوم مرکب از ” باز ضعیف + نمک آن باز با اسید قوی ” مثل بافر
NH3+NH4Cl
این بافر برای نگهداری PH در محدوده ی قلیایی مناسب هستند.

دانستنی
PH معمولی خون انسان حدود ۷٫۴ است که ثابت آن عمدتا توسط بافر یون هیدروژن کربنات ¯HCo3 تامین می شود. اگر ۰٫۰۱ مول از یک اسید ویا باز قوی ، به یک لیتر خون اضافه شود، در PH آن تغییری ناچیز درحد ۰٫۱ بوجود می آید.
H2CO3+NaHCo3

اما اگر ۰٫۰۱ مول HCl را به یک لیترآب اضافه کنیم PH آب از ۷ به ۲ می رسد. وچنانچه ۰٫۰۱ مولNaOHرا به یک لیترآب اضافه نماییم PH آب از ۷ به ۱۲ افزایش می یابد.

گاهی لازم است محلولی را که دارای PH معین است، تهیه و ذخیره کنیم. نگهداری چنین محلولی حتی مشکل‌تر از تهیه آن است. چنانچه این محلول در معرض هوا قرار گیرد، دی‌اکسید کربن (یک ایندرید اسید) جذب می‌کند و اسیدی‌تر می‌شود. چنانچه محلول در ظرف شیشه‌ای ذخیره شود، ناخالصیهای قلیایی که در اثر خیسیدن شیشه شسته می‌شود، ممکن است PH را تغییر دهد. در محلولهای بافر (تامپون) ، PH در رقمی تا حدودی ثابت ، حتی وقتی مقادیر کم اسید یا باز به آنها اضافه می‌شود، محفوظ می‌ماند.
تهیه محلول بافر (اسیدی)

یک محلول بافر را می‌توان از یک اسید ضعیف یا یک باز ضعیف و نمکی از الکترولیت ضعیف تهیه کرد. مثلا ، می‌توان بافری از استیک اسیدو سدیم استات تهیه کرد. اگر از این دو ماده به غلظت یکسان مثلا ۱M داشته باشیم. در نتیجه:

از آنجا که با غلظت و برابر است، غلظت برابر با می‌شود و PH برابر ۴٫۷۴ خواهد بود. PK یک الکترولیت ضعیف را می‌توان به طریقی مشابه با PH تعریف کرد:

محلولی از یک اسید ضعیف که در آن غلظت آنیون برابر غلظت اسید تفکیک نشده باشد، PH آن برابر اسید است. در نمونه بافری که شرح داده شد، مقادیر و نسبت به مقدار موجود ۵۰ مرتبه بیشتر است

اضافه کردن اسید یا باز به محلول بافر
چنانچه مقدار کمی یون اضافه کنیم، منبع فراوان یون استات آن را به سرعت به استیک اسیدتبدیل می‌کند. چنانچه به این مقدار بافر مقداری یون اضافه کنیم، یون را خنثی می‌کند. ولی مقدار فروان استیک اسید موجود به وسیله تفکیک مقدار یون حذف شده را جایگزین خواهد کرد و PH محلول در رقمی نسبتا ثابت محفوظ می‌ماند. بافرها نمی‌توانند افزایش مقادیر زیاد اسید یا قلیا را تحمل کنند. افزایش ۰٫۰۱ مول به ازای یک لیتر از یا در حدود حداکثر مقداری است که انتظار می‌رود بافری توان تحمل آن را داشته باشد.
تهیه بافر قلیایی

بافرهای قلیایی را نیز می‌توان تهیه کرد. چنانچه باز ضعیف و یون مشتق آن با غلظتهای برابر ، وجود داشته باشند، داریم:

محلولی از به مقدار ۰٫۱ مول و به مقدار ۰٫۱ مول مثالی از این نوع بافر است که PH آن برابر ۹٫۲۶ است.
رابطه هندرسون _ باخ
بافرهایی نیز می‌توان تهیه کرد که در آنها نسبت غلظت الکترولیت ضعیف به غلظت یون مشترک ۱ به ۱ نباشد. از این روش می‌توان برای بدست آوردن بافری که PH یا POH آن با اسید یا باز ضعیف تفاوت دارد، استفاده کرد. رابطه هندرسون باخ این نوع بافر را توجیه می‌کند:

بطور کلی برای یک بافر موثر ، نسبت غلظت جز مولکولی به غلظت جز یونی باید بین ۰٫۱ و ۱۰ باشد. بنابراین برای تهیه یک بافر موثر می‌توان از استفاده کرد. برای مثال ، می‌توان بافری از استیک اسید و استات تهیه کرد که در آن مقادیر دلخواه PH بین ۳٫۷۴ و ۵٫۷۴ را داشته باشد، زیرا مقدار استیک اسید برابر ۴٫۷۴ است.
استفاده از محلولهای بافر در صنعت و طبیعت

استفاده از بافرها بخش مهمی از بسیاری فرآیندهای صنعتی است. مثالهایی در این مورد ، آبکاری و تهیه چرم و مواد عکاسی و رنگها هستند. در پژوهشهای باکتری شناسی برای حفظ PH لازم جهت رشد باکتریهای مورد مطالعه ، محیطهای کشت معمولا بافری هستند. بافرها بطور وسیعی در شیمی تجزیه و همچنین برای مدرج کردن PH سنج بکار می‌رود. بدن انسان به وسیله بی کربنات ، فسفات و سیستمهای پیچیده پروتئین در بافری است.
( برداشت از سایت دانشنامه)
محلول های بافری

يک سیستم بافرمی تواند مقدارقابل توجهی اسید یا باز رابدون آنکه تغییر عمده ای در PH محلول رخ
دهد جذب نماید محلول های بافر ازمخلوط یک اسید ضعیف بانمک آن ویا محلول
بازضعیف بانمک آن تهیه می شوند. وزمانی بیشترین کارایی رادارند که غلظت اسيد ضعیف با
بازمزدوجش ( HA و A- ) ویا غلظت بازضعیف بااسید مزدوجش( MOH و M+ )
برابرباشد.محلولهای بافر درحیات مابسیاربااهمیت می باشند .ازجمله خون یک بافربسیارمهم است که باعث می شود PHمحیط بدن درمقابل مواد غذایی متنوع ویاداروهایی که
می خوریم ثابت بماند.

بدنیست بدانیدزمانی که ورزشکاران درلحظات اضطراب ناشی از مسابقه ورقابت، سریعترو
عمیق تر نفس می کشند تهویه بیش از اندازه میزان CO2 موجوددرخون راکاهش می دهد درنتیجه مقداربیشتری H2CO3 طبق رابطه زیر تجزیه شده تاطبق اصل لوشاتلیه این کاهش جبران شود H2O + CO2 <ــــ H2CO3 امادرنتیجه این عمل تعادل میان -HCO3 و H2CO3 به هم می خورد برای جبران H2CO3 مصرفی تعادل زیر صورت می گیرد H3O+ + HCO3- → H2O+ H2CO3 ممکن است. ـHCO3 به حدی کم شود که برای جبران آن PH خون افزایش یابد دراین شرایط رگهای خون درمغز انقباض یافته وخون کمی به مغز میرسددراین حالت ورزشکار دچارسرگیجه وگاه بیهوش می شود دراین وضعیت تنفس عادی شده و PHبه مقدارطبیعی بارمی گردد.
اسید وباز

اسید ترکیبی است شیمیائی که در محلول یون هیدروژن خود را از دست می دهد و باز ترکیبی است که وقتی در محلولی قرار می گیرد یون هیدروکسل خود را از دست می دَهد.
برای مثال :CIH=H+ +CL- NaOH=Na+ +OH- (هیدروکسید سدیم ) (اسید هیدرو کلریک)So4H2=H+ +So4- KOH=K+ +OH- (هیدروکسید پتاسیم ) (اسید سولفوریک) اسیدهای قوی نسبتا یونهای H+ بیشتری ار اسیدهای ضعیف ایجاد می کنند و بازهای قوی یونهای OH- بیشتری از محلولهای آبگونه ای (آبی) شامل هر دو نوع یون H+ و OH- هستند . یک

محلول اسیدی بیشتر دارای یون H+ در حالی که یک محلول بازی دارای یون OH- بیشتری می باشد . آب خالص محلولی است نه اسیدی و نه بازی (خنثی) زیرا دارای تعداد برابری یون H+ و OH- است : H2O=H+ +OH- H+ +OH-= H2O در نتیجه تعیین انکه محلولی اسیدی یا بازی است به سادگی مربوط به تعداد یون H+ موجود در آن محلول دارد. در صورتی که تعداد یونهای H+ بیشتر از تعداد یونهای OH- است محلول اسیدی واگر بالعکس است محلول بازی است . تامپونها دستگاه تامپونی دارای دو بخش است : ۱- یک اسید ضعیف و ۲- نمک

آن اسید ضعیف. هدف اصلی تامپوها هگهداری غلظت H+ به صورت ثابت است . از جمله تامپونها عبارتند از : اسید استیک ( اسید ضعیف ) استات سدیم (نمک ) اسید کربنیک (اسید ضعیف) و بیکربنات سدیم (نمک) . در بازی تامپون یک اسید با یک نمک واکنش داشته و نتیجه آن تشکیل یک نمک قوی تر و یک اسید ضعیفتر است . مثلا از ترکیب اسید لاکتیک با بیکربنات سدیم و اسید کربنیک به شرح زیر می باشد :

LA+NaHCO3=NaLA+H2CO3
در خون اسید کربنیک یک اسید ضعیف است زیرا یون H+ زیادی تولید نمی کند همچنین اسید کربنیک به آب و انیدرید کربنیک که هر دو آنها می توانند سریعا از بدن خارج شوند تجزیه خواهند شد:
H2CO3=H2O+CO2
H2O+CO2=H2CO3
بیکربنات سدیم به راحتی می تواند در برابر اسید هیدرو کلوریک عمل تامپونی و تولید یک نمک قوی و یک اسید ضعیف بنماید.: NaHCO3+HCl=NaCl+H2CO3 یا اسید ضعیف +نمک =اسید قوی +بیکربنات در اینجا یون هیدروژن اضافی که در نتیجه اسید هیدروکلوریک ایجاد شده به طور کلی از محلول جدا شده و تشکیل کربنیک اسید را خواهد داد . به یاد داشته باشید که H2CO3 اسیدی است ضعیف زیرا مانند HCL به سرعت تجزیه نمی شود(یعنی یون H- زیادی تولید نمی کند) چنین دستگاه تامپونی از جمله راههائی است که در آن از اسیدی یا بازی شدن مایع های بدن جلوگیری خواهد کرد. PH (قدرت یون هیدروژن) (H+ )

برایبیان اسیدی و بازی در یک محلول می باید به تعیین تعداد یونهای H+ مجود در آن محلول پرداخت . نتیجه تعیین تعداد این یونها به عنوان پ هاش آن محلول یا قدرت یون هیدروژن بیان می گردد. از آن جایی که برای نشان دادن قدرت یونی با ارقام بسیار کوچکی سرو کار خواهیم داشت ( مثلا وزن مقدار یون هیدروژن موجود در یک لیتر آب به مول) پ هاش یک مایع بر اساس لگاریتم منفی / پایه ۱۰ بیان خواهد شد :

PH= -log[H] در اینجا [H+] مساوی مقدار یونهای H+ موجود در یک لیتر محلول به گرم می باشد . غلظت یون هیدروژن در آب خالص تقریبا برابر ۱۰ به توان منفی ۷ مول در هر لیتر آب تعیین شده است .(۰۰۰۰۰۰۷/۰) مول در هر لیتر. بنابراین: PH= -log[10-7]=- (-7)
= -(-7)(لگاریتم ۱۰به توان -۷= -۷)=۷ آب خالصبرابر ۷ است پ هاش بزرگتر از ۷ (دارای یون هیدروژن کمتر ) به عنوان قلیایی . پ هاش برابر۷ خنثی و پ هاش کمتر از ۷ اسیدی تعیین شده اند .

با افزودن یک اسیدبه یک محلول پ هاش آن را تنزل داده زیرا بر تعداد یونهای هیدروژن آن افزوده می شود در حالی که یک باز غلظت یون هیدروژن را کاهش داده زیرا بر تعداد یون OH- افزوده شده و لذا پ هاش آن را بالا مس برد. حدود تقییرات پ هاش بدن که با حیات انسان سازگاری دارد در حال استراحت بین ۷ تا ۷/۷ است تمرین بدنی سبب تغییر پ هاش عضله در جهت اسیدی خواهد شدکه ممکن است هنگام ورزشهای خیلی سنگین به ۴/۶ تا ۶/۶ تنزل یابد . چنین پ هاش تنزل یافته ای جنبه موقتی و گذرا داشته زیرا قدرت تامپونی بدن شامل دستگاههای کلیه و تنفس هر چه سریعا به کار افتاده و پ هاش را به حال طبیعی باز می گردانند.

علاوه بر دستگاه تامپونی تامپونی بیکربنات (مانند بیکربنات سدیم NaHCO3 )دستگاههای تامپونی دیگری مانند فسفات و پروتئین نیز وجود دارندکه همگی به یک طریق انجام وظیفه می نمایند . تامپون های فسفات مانند دی سدیم فسفات Na2HPO4 در کلیه متمرکز بوده در حالی که تامپونهای پروتئین (مانند هموگلوبین) در یاخته ها و پلاسما جای دارد . چون عمل تامنپونی بیشتر در درون یاخته صورت می گیرد تامپونهای پروتئینی کمال اهمیت را دارند.

تنظیم تنفسی PH مرکز تنفسی واقع در پیاز مغز تیره و در گیرنده های شیمیائی واقع در قوس آئورتی به تغییرات غلظت یون هیدروژن خون حساسمس باشند. افزایش CO2 در مایع های بدن ( که برای تولید اسید کربنیک با آب ترکیب می شوند) سبب کاهش پ هاش و بیرون راندن CO2 سبب افزایش پ هاش خواهد شد . افزایش غلظت یون یون H+ سبب تحریک دستگاه تنفسی شده لذا عمل تهویه را بالا برده ( پر تهویه ای ) و CO2 را به خارج منتقل می کند ( به خارج دمیدن ) برعکس کاهش غلظت یون H+ سازو کار تنفسی را پائین خواهد برد . تغییرات در سرعت و عمق تنفس یعنی تهویه حبابچه ای می تواند تغییرات سریعی در مایع پ هاش بدن به وجود آورد. مثلا وقتی پ هاش به به کمتر از سطح طبیعی استراحت (۴/۷) تغییر یافت تنفس شدیدا تحریک و پر تهویه ای حادث می گردد. همان گونه که اکنون متذکر گردید تهوی سبب دفع CO2 شده که به نوبه خود سبب افزایش مایع پ هاش می گردد .