כימיקלים Equilibrium ב- Acid-Base Responses: מדע Buffer Systems

איזון כימי הוא מושג בסיסי השולט בהתנהגות של תגובות בסיס חומצי כמעט בכל מערכת טבעית ומונדסית.בין אם בזרם הדם האנושי, מעבדה ביוכימית, או מתקן טיפול בפסולת תעשייתית, היכולת של פתרון להתנגד לשינויי pH דרסטיים תלויה מעמד מיוחד של מערכות איזון הידועות כ-buffers. abu מערכת לא רק מתנגד לשינוי; היא ממנת את האופי הני של כוח אדם חלש, אפילו תחת תפקוד קבוע של מערכת ריכוז חזק.

עקרון הליבה של שיווי משקל כימי ב Acids ובסיסים

כל תגובה מבוססת חומצה הפוכה מגיעה בסופו של דבר למצב שבו שיעור התגובה קדימה שווה את קצב התגובה לאחור.באיזון דינמי זה, ריכוזי מגיבים ומוצרים נשארים קבועים לאורך זמן.עבור חומצת חלש (HA) מתפורר במים, ביטוי שיווי המשקל הוא:

H+ A-

האיזון הקבוע לתגובה זו הוא קבוע ה-חומצה דיסוציאציה, Ka:

(א) [=]

מכיוון ש חומצות חלשות רק מתפזרות חלקית, שיווי המשקל שלהן תומך מאוד בצורת HA מבוזרת.הדיסוציאציה הלא שלמה היא המפתח לפעולה של buffer. כאשר בסיס חזק (OH-) נוסף, היא צורכת H+, מה שהופך את האיזון ימינה ומייצרת יותר A- בעוד צמצום [HA] רק דביקות מעט, הוספת חומצה חזקה (H+) מניע את האיזון שמאלה, ממיר את ה-Amain- ולכן הוא חזרה לריכוז יציב.

האנטומיה של מערכת Buffer

חיץ פונקציונלי מורכב משני מרכיבים מרכזיים הקיימים בריכוזים סבירים ודומים בערך: חומצה חלשה ובסיס ההדבקה שלה, או בסיס חלש וחומצה ההדבקה שלה.שני המינים קשורים כימית על ידי האיזון רק שתואר.

  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) חומצה קרדיוטונית / ion:03FLT 1 H2CO3 / HCO3 - (Ka1 ⁇ 4.3 × 10-7)
  • (FLT:0) דייווג' פוספט / מונויוגן פוספט:FLT 1 H2PO4 / HPO42 - (Ka2 ⁇ 6.2 × 10-8)
  • (ב) ⁇ (בלטינית: ⁇ ): ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כל זוג יעיל ביותר כאשר pH היעד קרוב pKa של חומצה חלשה (pKa = -log Ka) הטווח השימושי של buffer הוא בדרך כלל בתוך ±1 יחידת pH של pKa בחוץ החלון, אחד משני המינים הופך להיות די צלול מדי כדי לנטרל ביעילות H + או OH.

ההשוואה של הנדרסון-האסלכ: חיזוי pH באפירס

הקשר המתמטי בין pH, pKa, ואת היחס של בסיס conjugate לחומצה חלשה ניתן על ידי משוואה הנדרסון-האסלובלך:

pH = pKa + log (A-) / [HA]

משוואה זו נגזרת ישירות מהביטוי Ka על ידי נטילת הגירוטאות השליליות של שני הצדדים.זה מאפשר כימאים לחזות את ה- pH של פתרון חיץ עם דיוק, בתנאי ריכוזים של שני המינים ידועים.לדוגמה, אם פתרון מכיל 0.1 חומצה אצטית ו 0.1 מ"סיום Acetate" (A-HA) שווה 1,(1)=0, ו- pH=0=0=0=0=0=0=0=0.

משוואה הנדרסון-האסלכ מבהירה כי ה- pH של buffer אינו קבוע; הוא משתנה ביונאריתמטית עם היחס של שני רכיבי ה-buffer. עם זאת, כל עוד היחס נשאר בין 0.1 ל-10, ה- pH נשאר בטווח השימושי.מערכת יחסים זו היא מרכזית להכנת buffers עם pH הרצוי במעבדה, קליני, והגדרות תעשייתיות.

כיצד Buffer Systems Resist pH Change: A Mechanistic View

כדי להעריך את העוצמה של חיץ, זה עוזר לעקוב אחר מה שקורה ברמה המולקולרית כאשר חומצה חזקה או בסיס נוסף.

תוספת של אכילה חזקה (H+)

כאשר חומצה חזקה כגון HCl מוצגת לתוך חיץ המכיל HA ו- A - עודף H+ מגיב מיד עם בסיס conjugate A - כדי ליצור HA:

H+A- HA

תגובה זו צורכת כמעט כל הפרוטונים הנוספים, כך ריכוז H+ החופשי – וכתוצאה מכך ה- pH – נשאר כמעט ללא שינוי.כמות H+ שניתן לנטרל תלויה בריכוז של A-הווה.

תוספת של בסיס חזק (OH-)

כאשר בסיס חזק כמו OH מותווסף, השדים hydroxide מגיבים עם חומצה חלשה:

OH- + HA - + H2O

כאן חומצה חלשה תורמת פרוטון כדי לנטרל את הבסיס, להמיר את עצמו לתוך צורת ההדבקה שלו. שוב, ריכוז H+ חינם בקושי מכווץ כי שיווי המשקל קורא רקים להחליף את ה- HA שנצרכו.

המונחים: Buffer Capacity

קיבולת Buffer מוגדרת ככמות של חומצה חזקה או בסיס חזק שיש להוסיף כדי לשנות את ה- pH של ליטר אחד של פתרון buffer על ידי יחידה אחת. זה תלוי שני גורמים: ריכוזים מוחלטים של זוג החיץ ואת היחס שלהם. ריכוזים גבוהים יותר מניבים יכולת גבוהה יותר. pH המכיל 0.5 מ"ק ו- A- יכול לנטרל הרבה יותר חומצה מ 10.5 המכילה כל אחד.

מערכות פיזיולוגיות Buffer: שמירה על חלון ה- pH של החיים

אורגניזמים חיים תלויים ב- pH מוסדר להפליא לפעילות האנזים, תחבורה חמצן ומטבוליזם סלולרי.אפילו סטייה של 0-ענישה מ- pH דם רגיל עלולה לפגוע בתפקוד האיברים, ושינוי מעבר ל-0.4 יחידות יכול להיות מסכני חיים. 3 מערכות buffer גדולות פועלות בגוף האדם כדי לשמור על pH בטווח הצר של 7.35–5.

מערכת Bcarbonate Buffer בדם

ה-buffer הפיזיולוגי החשוב ביותר הוא מערכת חומצה פחמן-ביומית.חומצה פחמן (H2CO3) dissociates לתוך bicarbonate (HCO3-) ו- H+.המאזן קשור גז פחמן דו חמצני באמצעות אנמילאז פחמן:

CO2(g) + H2O(l) ⁇ H2CO3(aq) ⁇ H+(aq) + HCO3-(aq)

הגוף האנושי מייצר כל הזמן CO2 כמוצר פסולת מטבולי.הריאות לגרש CO2, בעוד הכליות לווססות רמות דו-קרבונט.מערכת פתוחה זו יכולה להתאים במהירות את הרכיבים חומצה ובסיסיים, מה שהופך אותו יעיל במיוחד באופן יוצא דופן בשחיקה הדם. לדוגמה, במהלך פעילות גופנית אינטנסיבית, בניית חומצה קדחתנית קדחתנית לנטרל חלקית על ידי דוקרבונט, לייצר יותר CO2, אשר לאחר מכן הוא exhaled ללא זה מסוכן, pH דם.

מערכת ה- Phosphate Buffer בתאים

בתוך תאים ובחדרי הכליות, ה- dihydrogen phopumonohydrogen pupus (pKa = 7.21) ממלא תפקיד מכריע.למרות ריכוז הדם שלו הוא נמוך, הוא בשפע בתוך תאים בשתן, שבו הוא עוזר לחמצות מרוטב.מערכת פוספט חשובה במיוחד כי pKa שלה קרוב ל- pH הפיזיולוגי של cytosol.

חלבונים: התפקיד של Amino Acid Side chains

חלבונים, כולל המוגלובין ו-Elelein, מכילים שאריות חומציות אמינו עם שרשראות צד ionizable, כגון Histidine, ציסטיין, ו- Aspartate. קבוצות אלה יכולות לתרום או לקבל פרוטונים, מתנהג כמו buffers. Hemoglobin, למשל, תורם באופן משמעותי לשחיקה בתאי הדם האדומים.

Buffer Systems במעבדה ופרקטיקה תעשייתית

מעבר לפיזיולוגיה, buffers הם כלים הכרחיים בכימיה אנליטית, ביוכימיה, וייצור.הבחירה וההכנה המתאימים שלהם חיוניים לתוצאות ניתנות להתחדשות.

הכנת מעבדה Buffer

ההליך הסטנדרטי להכנת חיץ כרוך בפירוק חומצה חלשה ואת הבסיס conjugate שלה (בדרך כלל כמו נתרן או מלח אשלגן) במים. עבור pH מדויק, שיטה נפוצה אחת היא לtitrate פתרון של חומצה חלשה עם בסיס חזק עד ה- pH הרצוי ±, אז dilute כדי נפח. Alternatively, אבקת buffer premixed יכול להיות restructed לאחר הכנה, הוא מוכן עם כמה שעות טבוליות יש צורך hydrated עם .

המעבדה המשותפת Buffers ויישומים שלהם

  • (FLT:0)Tris buffer (pKa= 8.07 ב 25 מעלות צלזיוס): veFLT:1רחב בשימוש בביולוגיה מולקולרית עבור DNA ו RNA אלקטרופורזה, כמו גם בטיהור חלבון.
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Borax-boric acid buffer (pKa= 9.24):03:FLT:1 נעשה שימוש בניתוח אורגני ובקיצור של אלקטרודות pH.
  • (FLT:0) buffer (pKa1=3.13, pKa2= 4.76, pKa3= 6.40): veFLT:1 שימושי עבור האנזימולוגיה ובנוסחאות של מוצרי תרופות.

בעת בחירת חיץ לניסוי ספציפי, כימאים לשקול לא רק את pKa אלא גם אינטראקציות פוטנציאליות עם סטיות מתכת, אנזימים, או מערכת זיהוי.לדוגמה, phospeers יכול להצית סידן או מגנזיום, מה שהופך אותם ללא התאמה עבור מדיה מסוימת של תאים.Trs buffer, תוך שימוש נרחב, יש טמפרטורה משמעותית (002 / pH) / C, יש להבחין כל כך סבירים עבור שינויים pH זה;

מטבוליזם תעשייתי: פרמנטציה, מזון, ופסולת

תהליכים תעשייתיים הנשען על פעילות מיקרוביאלית או האנזימטית דורשים שליטה ב- pH כדי למקסם את התשואות.ברסציה, buffers לשמור על pH יציב כמו מיקרואורגניזמים לייצר חומצות אורגניות.לדוגמה, ייצור חומצה לקטקטית על ידי FLT:0Lactobacillus FLT:1 הוא limiting עצמי אם ה- pH טיפות נמוך מדי; aphos או citttttttre bureliffer מערכת מזון יעיל, מסייע לטבול, 000, 000, מסייע לטבול, 000, 000, מזון קיבולת חלב מופעלת, 000, 000, הוא טיפול יעיל, 000, הוא מסוגל לשמור על מנת להבטיח קיבולת מזון רטוב, 000.

טירוף Curves וההתאמת החזותית של הפעולה Buffer

עקומת טיטורציה – חלקת pH לעומת תוספת titrant – מספקת תיאור חזותי ברור של התנהגות buffer. כאשר בסיס חזק מותווסף לאט לחומצה חלשה, ה- pH עולה בהדרגה באזור החילוף ליד ה- pKa, שבו הפתרון מכיל כמויות סבירות של HA ו- A- A- העקומה היא שטוחה יחסית באזור זה; תוספת גדולה של בסיס מקסימלי של שינוי מינימלי, כאשר הוא מתאים ל- pH מינימלי (a) רק לרמה (a-A-A-A- k-A-A-A-) של ה- .

מעבר לאזור החילוף, כמו מין אחד הופך מותש, העקומה עולה באופן דרמטי.נקודת השוויון מתרחשת כאשר בדיוק מספיק בסיס נוספה כדי להמיר את ה-A- בשלב זה, הפתרון מכיל רק את הבסיס ההדבקה, אשר הידרוליזזז לייצר pH בסיסי. Beyond the equalvalence Point, בסיסים חזקים יותר שולטים, ואת העקומה הבאה צורה של בסיס חזק חזק, המאפשר זיהוי מדויק של תבניות יעילה של עיצוב.

חישוב שינויים ב- pH ב-Bubper Solutions

בעוד משוואה הנדרסון-האסלכנית מעניקה את ה- pH האיזון, היא לא צופה ישירות את השינוי ב- pH כאשר תוספת חומצה או בסיס.עבור כך, גישה פשוטה של סטוכמטרית משמשת.חשב 1.0 ל של buffer שהוא 0.10 בחומצה אצטית (HA) ו-0 M ב-Sodium acetate (A- pH הראשוני הוא 4.74. נניח 0.00 מ') נוסף עם H.

H+A- HA

לאחר התגובה, הריכוזים החדשים הם:

[A-]=0- 0.010= 0.090 MIRLT: [=0 + 0.010=0=010=0=0=010 MIR=0.10.

עקבו אחרי Henderson-Hasselbalch:

pH = 4.74 + log(0.090 / 0.110) = 4.74 + log(0.818) = 4.74 − 0.087= 4.65=4.

ה- pH השתנה רק ב- 0.09 יחידות.אם אותו 0.010 מ"ל של HCl נוספו ל- 1.0 ליטר מים טהורים, ה- pH ירד מ- 7.00 עד 2.00 - שינוי של 5.0 יחידות.השוואה זו ממחישה באופן דרמטי את העוצמה של אפילו buffer דילולי יחסית.

הגבלות ושיקולים

למרות התועלת שלהם, ל Buffers יש מגבלות כי מתרגלים חייבים להכיר. הראשון, קיבולת החילוף היא סופית. ברגע שהחומצה או הבסיס הנוספים עולה על ריכוז המינים המבולחים, ה- pH משתנה במהירות כאילו לא היה קיים. השני, הטמפרטורה משפיעה הן על pKa של חומצה חלשה וניתוק של מים. abuffer מוכן ב 25 ° C יכול להיות שונה ב- pH, אשר יכול להיות השפעה יעילה על ידי טיפול יעיל.

נושא מעשי נוסף הוא הפוטנציאל להפרעות כימיות.חלק מהמבולרים - כגון Tris - מכילים אמines ראשוניות שיכולים להגיב עם אלדהיד או ions מתכת. phosphate buffers עשוי להצית צגיות דיפרון כגון Ca2+ ו- Mg2+, אשר חיוניים לתגובות אנזומטיות מסוימות. במחקרים ביולוגיים, ה-buffer חייב להיות תואם עם ה-Asayssayssaymegsaymegsay ולא צריך לספוג רכיבים בגלמים כדי לקליטורים.

מושגים מתקדמים: Multi-Component Buffer Systems ו- Zwitterionic Buffers

עבור יישומים הדורשים יציבות pH רחבה במיוחד, החוקרים משתמשים לעתים בתערובת רב-שותף המכיל כמה זוגות חומצה-בסיסית חלש.לדוגמה, בריטון-רובינסון אוניברסלי buffer מורכב תערובת של חומצה זרחנית, חומצה בורקית, חומצה בוזרית, חומצה אצטית, מותאם ל- pH הרצוי עם hydroxide.

ביוכימיה, buffers (Good's) הפכו לסטנדרט הזהב כי הם אינרציה ביולוגית מינימלית ויש להם יכולת מינימלית של מתכת-binding.דוגמאות כוללות MES (pKa 6.15), HEPES (pKa 7.55), ו- CHES (pKa 9.55) אלה buffers אינם חודרים בקלות את membranes, מה שהופך אותם אידיאליים למחקרים נוספים (OC) עם קבוצת חומצה פוליתיקים מבוקרת (Obox) או קבוצה בעלת רמה גבוהה של חומצה פולית)

מסקנה: התפקיד הבלתי ניתן להשגה של Equilibrium-Driven Buffers

איזון כימי בתגובות בסיס חומציות אינו מושג מופשט; זהו העיקרון התפעולי מאחורי כל מערכת חיץ המייצבת את pH באורגניזמים חיים, מעבדות, כור תעשייתי.מאזן דינמי בין חומצה חלשה לבסיס ההדבקה שלה, כפיהה על ידי מערכת הבינוי של הנדרסון-האסלכ, מספק מסגרת מתמטית חזקה לתכנון וחיזוי התנהגות חיץ.

(ב) לבחון את ההיבטים המעשיים של הכנת buffer לעומק רב יותר, להתייעץ עם משאבים סמכותיים כגון FLT:0 מדע Direct של buffer פתרונות buffer 1 או ההתייחסות הקלאסית:2 "פתרונות Buffer Solutions: The Basics" מ-Journal of Chemical EducationFLT 3: for פיזיולוגי, the FLT:4Khans-Feral , מספק בסופו של דבר את ה-Fvmacious Prodation for applied Academy for applied Academy for aalytics.