Kimyasal Eşleştirme Asit-Base Reaksiyonları: Buffer Sistemlerin Bilimi:

Kimyasal denge, sert pH değişimlerine karşı direnmenin temel bir kavramıdır, bu tür bir sistemin sadece insan kan dolaşımına, biyolojik bir laboratuvara veya endüstriyel atıklara karşı tedavi tesisine karşı çıkabilme yeteneği, güçlü bir asit veya üslere karşı koymak için bir çözüm yeteneği, bu makaleye ait bir yazara, bu davranışın nasıl değiştirilmediğini sağlar; zayıf asit-baz equilibrianın geri dönüşümlü doğasının tersine çevirilmesi ve bu şekilde eleştirel bir şekilde kullanılması.

Kimyasal Dengenin Temel Prensibi Asitler ve Bases

Her geri dönüşümlü asit-base reaksiyonu sonunda, ileri reaksiyon oranının ters tepki oranını eşit olduğu bir duruma ulaşır.Bu dinamik dengede, tepkilerin ve ürünlerin konsantrasyonu zamanla sabit kalır.Suda zayıf bir asit (HA) denge ifadesidir:

HA ⁇ H + A -

Bu reaksiyon için sürekli denge sürekli asit kesintisi süreklidir, Ka:

Ka = [H+][A-] / [HA]

Zayıf asitler sadece kısmen hoşnutsuz, dengeleri sendikalaşmış HA formunu güçlü bir şekilde destekliyorlar. Bu eksik bir dissociasyon, güçlü bir temel (OH-) eklendiğinde, H+ konsantrasyonunu tüketmektedir ve bu nedenle pH'yı azaltır - oldukça istikrarlı bir şekilde istikrarlı.

Bir Buffer Sisteminin Anatomisi

Fonksiyonel bir tampon, mevcut iki temel bileşenden oluşur ve yaklaşık olarak karşılaştırılabilir konsantrasyonlar: zayıf bir asit ve konjugate üssü veya zayıf bir temel ve konjugate asit. iki tür sadece tarif edilen denge ile bağlantılıdır.

  • [FONT:0) Atik asit / acetate ion: CH3COOH / CH3COO - (Ka ⁇ 1.8 × 10 -5)
  • [FONT:0)Carbonic asit / bikarbonat iyonu: [Dönem: 1) H2CO3 / HCO3 - (Ka1 ⁇ 4.3 × 10 - 7)
  • [FONT=0)Dihidrojen fosfat / monohidrojen fosfat: [[Döntilmiş: 1 ) H2PO4 - / HPO42 - (Ka2 ⁇ 6.2 × 10-8)
  • [FONT:0]Ammonium / amonyak:[DÜT:1] NH4+ / NH3 (Ka of NH4+ ⁇ 5.6 × 10 -10)

Her çift, hedef pH'ın zayıf asitin pKa'ına yakın olduğu en etkilidir (pKa = -log Ka). Bir tampon aralığı genellikle ±1 pH ünitesi içinde pKa. dışında, iki türün biri H + veya OH'yi etkili bir şekilde nötrize etmek için çok dilsiz hale gelir.

HendersonHasselbalch Equation: Buffers'te pH Tahmin Etmek

pH, pKa ve zayıf asite konjugate üssünün oranı Henderson-Hasselbalch denklemi tarafından verilir:

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

Bu denklem doğrudan Ka ifadesinden elde edilir, hem de her iki tarafın negatif logaritmalarını alır.(HA) bir tampon çözümün pH'ı doğrultarak, iki türün konsantrasyonlarını bilse de, asit konsantrasyonu 0.1 Mcetic asit ve 0.1 Mcetate kalırsa, oranı [A-]/HA] eşitler 1, log (1)=0 ve pH = p = 474.

HendersonHasselbalch denklemi, bir tamponun pH'ının sabit olmadığını açıkça ortaya koyar; iki tampon bileşeninin oranıyla logaritmesel olarak değişir. Ancak,% 0.1 ve 10 arasında kaldığı sürece, pH kullanışlı aralıklarda kalır.Bu ilişki laboratuvarda istenen bir pH, klinik ve endüstriyel ayarlarda istenen bir pH ile ilgilidir.

Buffer Systems pH Change Nasıl Değiştirilir: Bir Mechanistic View

Bir tamponun sağlamlığını takdir etmek için, güçlü bir asit veya üssü eklendiğinde moleküler düzeyde ne olduğunu takip etmeye yardımcı olur.

Güçlü bir asit (H+) eklenme

HCl gibi güçlü bir asit HA ve A içeren bir tampona tanıtıldı - aşırı H+ hemen konjugate üssü A ile tepki verir - HA:

H+ + A - → HA

Bu reaksiyon neredeyse tüm ek protonları tüketmektedir, bu yüzden ücretsiz H+ konsantrasyonu - ve dolayısıyla pH - neredeyse değişmemiş. nötralize edilebilir H+ miktarı A - şu anda konsantrasyona bağlıdır.Bir - tükenmiştir, buffer boğulurken, pH keskin bir şekilde düşmeye başlar.

Güçlü bir Base'ı ekin (OH-)

NaOH gibi güçlü bir temel eklendiğinde, hidroxide iyonlar zayıf asit HA ile tepki verir:

OH - + HA → A - + H2O

İşte zayıf asit, temeli nötralize etmek için bir proton bağışlıyor, kendini kınayan forma dönüştürmek. Yine, ücretsiz H+ konsantrasyon sert bir şekilde bulamalar çünkü denge, HA'nun tüketilmesiyle sınırlı.

Buffer Kapasite Kavramı

Buffer kapasite, bir birim tarafından bir litrelik bir tampon çözümü değiştirmek için eklenecek güçlü asit veya güçlü bir temel miktarı olarak tanımlanır.Buffer kapasite iki faktöre bağlıdır: Bu, bu diskin mutlak konsantrasyonları ve oranı. Yüksek konsantrasyonlar genellikle her biri HA ve A'yı içeren bir tampon, her biri 0.05 M her biri içeren bir asitten daha fazla nötrize edilebilir.

Fiziksel Buffer Sistemleri: Yaşamın pH Penceresini Koruma

Yaşam organizmaları enzim aktivitesi, oksijen taşımacılığı ve hücresel metabolizma için mükemmel bir şekilde düzenlenmiş pHa bağlıdır. Normal kan pH'dan 0.1-unit sapması bile organ fonksiyonunu engelleyebilir ve ±0.4 birimlerinin ötesinde bir değişiklik yaşam tehdit edebilir.İnsan vücudunda pH'ı en dar 735-7.45 aralığında tutmak için üç büyük tampon sistem çalışır.

Kanlı Buffer Sistemi Kanlı

En önemli fizyolojik tampon, karbonik asit-bikarbonat sistemidir. Karbonik asit (H2CO3) biyokarbonat (HCO3 -) ve H + denge enzim karbonik bir anhydrase ile karbon dioksit gaz ile bağlantılıdır:

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

İnsan vücudu sürekli olarak CO2'yi metabolik bir atık ürünü olarak üretir. ciğerler CO2'yi terk ederken, böbrekler biyokarbonat seviyelerini düzenler. Bu açık sistem hem asit hem de temel bileşenleri hızla ayarlar, kanın aşırı derecede etkili hale getirilmesinde sağlar. Örneğin, yoğun egzersiz sırasında, laktik asit inşa edilir, daha fazla CO2 üretir, bu tampon olmadan, bu tampon olmadan, kan pH da tehlikeli bir şekilde azalır.

Hücrelerdeki Phosphate Buffer Sistemi

Hücreler ve renal tubules içinde, dihidrojen fosfat fosfat-monohidrojen fosfat çifti (pKa = 7.21) kandaki toplam konsantrasyon düşük olsa da, bu da, incelenen asitlere yardımcı oluyor.

Protein Buffers: Amino Asit Side Zincirlerinin Rolü

Bu gruplar, protonları bağışlayabilir veya kabul edebilir, örneğin, kırmızı kan hücrelerinde tamponlaşmanın önemli ölçüde katkıda bulunur. Karbondioksisiteye girdiğinde, karbonik bir anhydrase kedisi ve protonları kabul edebilir ve hemoglobin birçok özgürleştirici protonu bağlar, örneğin büyük pH salaklarını önler.

Laboratuvar ve Endüstriyel Uygulama Sistemleri

fizyolojinin ötesinde, tamponlar analitik kimya, biyokimya ve üretimde vazgeçilmez araçlardır. Doğru seçim ve hazırlıkları, reroducible sonuçlar için gereklidir.

Bir Laboratuvar Buffer Hazırlamak

Bir tampon yapmak için standart prosedür, istenen pH'a kadar zayıf bir asit ve konjugate üssünü (genellikle suda sodyum veya potasyum tuzu olarak) tekrar formüle etmek için, bir ortak yöntem, istenen pH'ya ulaşana kadar zayıf bir asit veya baz ile bir çözüm bulmaktır.

Ortak Laboratuvar Buffers ve Uygulamaları

  • [0]Tris buffer (pKa = 807 25 °C): [Dönetici ve RNA elektroforesi için moleküler biyolojide, protein saflaştırılmasında da kullanılır.
  • [FONT:0)Phosphate-buffered salin (PBS): [Düzg: 1) NaCl, KCl, Na2HPO4 ve KH2PO4, genellikle hücre kültürü ve immünassays içinde kullanılır.
  • [FONT:0)Borax-boric asit tampon (pKa = 9.24): ), inorganik analizde ve pH elektrotlarının kalibrasyonunda kullanılır.
  • [FONT:0]Citrate buffer (pKa1 = 3.13, pKa2 = 4.76, pKa3 = 6.40): ), enzymoloji ve farmasötik ürünlerin formülasyonu için kullanışlıdır.

Belirli bir deney için bir tampon seçerken, kimyagerler sadece pKa değil aynı zamanda metal iyonlarla, enzimler veya algılama sistemi ile potansiyel etkileşimleri göz önünde bulundurun. Örneğin, fosfat tamponları termostatize veya magnezyum için önceden kullanılabilir hale getirebilir, onları yaygın olarak kullanılan Tris buffer için uygun olmayan bir şekilde, önemli bir sıcaklık katsayı (-0.028 pH /°C) vardır, bu nedenle pH değişiklikleri sıcaklıkla fark eder; bu, termostatize deneyler için dikkate alınmalıdır.

Endüstriyel Buffering: Fermentation, Food, and Wastewater

Mikrobiyolojik aktiviteye güvenen endüstriyel süreçler, pH damlalarını çok düşükse kendini kesintiye uğratmak için pH kontrolü gerektirir; bir fosfat veya cittif tampon, organik asitler üreterek sistemi korur.Örneğin, tamponlar yumuşak içeceklere eklenir, soslar ve süt ürünleri, ve süt ürünleri tutarlı bir şekilde tedavi edilir.

Titrasyon Curves ve Buffer Action'ın Görsel Temsilasyonu

Bir titrasyon eğrisi - eklenmiş memelere karşı bir arsa - bu bölgede açık bir görüntü tasviri yapar. güçlü bir temel yavaş yavaş zayıf bir asite eklendiğinde, pH yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş buffer = [A-) ve bir eğrinin eğimi ile aynıdır - eğrilik en düşük noktası en düşük maliyetlidir.

Bu durumda, bir tür tükeniyor gibi, eğri dikte ediliyor. equivalence noktası, tam olarak yeterince temel HA'yı A'ya dönüştürmek için eklenmiş durumda - bu noktada, kimyagerlerin yalnızca bilinmeyen bir asit veya üssün konsantrasyonunu doğrulayan etkili otobüs prosedürlerini tanımlaması için gerekli.

Buffer Çözümlerinde pH Değişiklikleri Hesaplamak

HendersonHasselbalch denklemi denge pH'ı verirken, bir asit veya baz eklendiğinde pH'daki değişimi doğrudan tahmin etmez.Çünkü, basit bir stoichiometri yaklaşımı kullanılır.L of acetic asit (HA) ve 0.10 M in sodyum acetate (A-).

H+ + A - → HA

Tepkiden sonra, yeni konsantrasyonlar şunlardır:

[A-] = 0.10 - 0.010 = 0.090 M
[HA] = 0.10 + 0.010 = 0.110 M

HendersonHasselbalch'a takarak:

pH = 4.74 + log(0.090 / 0.110) = 4.74 + log(0.818) = 4.74 - 0.087 = 4.65

pH sadece 0.09 birim tarafından değişti. Aynı 0.010 mol of HCl 1.0 L'ye eklenmiş olsaydı, pH 7.00'den 2.00'ya düşerdi - 5.0 birimlerin değişimi. Bu karşılaştırma, nispeten dilsiz bir tamponun gücünü dramatik bir şekilde gösterir.

Sınırlar ve Tahminler

Yararlılarına rağmen, buffers, uygulayıcıların tanınması gereken sınırlamalara sahiptir. İlk olarak, tampon kapasite süresi son derece yüksektir.Bir kez ek asit veya baz, tampon türün konsantrasyonunu aşıyorsa, pH değişiklikleri hızla mevcut değilse, yüksek çözünürlükte çalışma, tamponlu su kullanmaya hazır olmalıdır.

Bir başka pratik konu, kimyasal müdahalenin potansiyelidir. Bazı tamponlar - Tris gibi - bazı enzim reaksiyonları ile tepki verebilecek birincil amineler veya metal iyonlarla uyumlu olmalıdır.Geçmiş tamponlar Ca2+ ve Mg2+ gibi önsözler olabilir, bu da biyolojik çalışmalarda, buffer, assay bileşenleri ile uyumlu olmalıdır ve algılama için kullanılan dalga dalga dalga dalga dalgalar.

Gelişmiş Kavramlar: Multi-Component Buffer Systems ve Zwitteronik Buffers

Olağanüstü derecede geniş pH istikrarı gerektiren uygulamalar için, araştırmacılar bazen birkaç zayıf asit bazlı çift içeren multi-komponent tampon karışımları kullanırlar. Örneğin, Britton-Robinson evrensel tampon, herhangi bir tek pH karışımından oluşur, ve acetic asit, pH'yı istenen bir tamponad ile ayarlanır.

Biyokimyada, zwitteronik (İyi) tamponlar altın standardı haline geldi çünkü onlar biyolojik olarak inert ve minimum metal-binding yeteneği vardır. örnekler MES (pKa 7.55) ve CHES (pKa 7.55), ve CHES (pKa 7.55), onlara bağımlılık ile yüksek oranda kontrol edilen psiyonlar veriyor.

Sonuç: Equilib-riumDriven Buffers'ın ayrılmaz Rol

Asit-baz reaksiyonlarında kimyasal denge soyut bir kavram değildir; yaşam organizmalarında pH'ı stabilize eden her tampon sistemin arkasında işletim prensibidir, laboratuvarlar ve endüstriyel reaktörler. Hücre-ticarette kullanılan zayıf HEPES otobüsü arasında dinamik denge, Henderson-Hasselbalch denklemi tarafından ölçülmelidir, yaşam koşulları için gerekli olan koşulları sağlamak ve tahmin etmek için sağlam bir matematiksel çerçeve sağlar.

Daha derinlikte buffer hazırlığın pratik yönlerini araştırmak için, Kimya Eğitimi Dergisi'nden (Dönetici) alıntı yapmak için [FONTDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜye Değerleme Merkezi[Üye Olmayanlar İçin)