Калькулятор ацетатного буфера
Вкажіть цільовий pH і сумарну буферну концентрацію в мМ, щоб оцінити потрібні кількості оцтової кислоти та тригідрату ацетату натрію для ацетатного буфера. Результати наводяться у % мас./об.
Обчисліть кількість оцтової кислоти та ацетату для бажаного pH буфера
Формула складу ацетатного буфера
Де:
- \(r\) — співвідношення ацетату та оцтової кислоти
- \(C\) — буферна концентрація, тобто сумарна концентрація ацетатних форм (мМ)
- \([\mathrm{HA}]\) і \([\mathrm{A}^{-}]\) — концентрації оцтової кислоти та ацетату (моль/л)
- \(w_{\mathrm{acid}}\) і \(w_{\mathrm{trihydrate}}\) — розраховані кількості оцтової кислоти та тригідрату ацетату натрію (% мас./об.)
Співвідношення виводиться з рівняння Гендерсона–Гассельбаха з фіксованим \(\mathrm{p}K_a\) оцтової кислоти 4,75. Калькулятор використовує 60,5 г/моль для оцтової кислоти та 136,08 г/моль для тригідрату ацетату натрію; ділення концентрації, вираженої в г/л, на 10 дає грами на 100 мл, тобто % мас./об.
Склад ацетатного буфера — приклад розрахунку
Приклад: приготуйте буфер з pH 5,00 і сумарною буферною концентрацією 100 мМ. Розрахуйте кількість компонентів на 100 мл кінцевого розчину.
\[r=10^{5.00-4.75}=1.7783\]
\[[\mathrm{HA}]=\frac{100}{1000(1+1.7783)}\approx0.0359935\ \mathrm{mol/L},\qquad [\mathrm{A}^{-}]\approx0.0640065\ \mathrm{mol/L}\]
\[w_{\mathrm{acid}}=\frac{0.0359935\times60.5}{10}=0.2178\%\ \mathrm{w/v},\qquad w_{\mathrm{trihydrate}}=\frac{0.0640065\times136.08}{10}=0.8710\%\ \mathrm{w/v}\]
Результат: 0,2178 г оцтової кислоти і 0,8710 г тригідрату ацетату натрію на 100 мл кінцевого розчину, як і розраховано цим інструментом.
Як користуватися калькулятором
- Введіть бажане значення у поле pH. Типове значення — 5,00.
- Введіть бажану сумарну концентрацію у поле Буферна концентрація, у мМ. Типове значення — 100 мМ; це сумарна концентрація оцтової кислоти та ацетату, а не показник буферної ємності.
- Зчитайте значення Кількість оцтової кислоти (% мас./об.) і Кількість тригідрату ацетату натрію (% мас./об.). Кожен результат — це кількість грамів, необхідна на 100 мл кінцевого буфера, за умови використання вказаної форми реактиву.
- Щоб спланувати інший кінцевий об'єм, помножте кожне показане число на об'єм у мл, поділений на 100. Наприклад, помножте на 10 для 1 л. Додайте реактиви до об'єму води, меншого за кінцевий, розчиніть, а потім доведіть розчин до кінцевого об'єму.
Про що говорить склад ацетатного буфера
Ацетатний буфер містить оцтову кислоту та її спряжену основу — ацетат. Оцтова кислота може нейтралізувати частину доданої основи, а ацетат — частину доданої кислоти. Їхні відносні концентрації визначають прогнозований pH: за прийнятого \(\mathrm{p}K_a\) 4,75 вони однакові; вище цього pH переважає ацетат, нижче — оцтова кислота.
Буферна концентрація задає суму цих двох концентрацій до перерахунку в маси компонентів. Збільшення її за незмінного pH пропорційно збільшує обидві розраховані кількості, не змінюючи їхнього співвідношення. Вища сумарна концентрація загалом дозволяє розчину чинити більший опір додаванню кислоти або основи, але буферна ємність залежить також від pH і сама по собі не дорівнює числу, введеному в поле буферної концентрації.
Результати — це масові концентрації на одиницю об'єму, а не відсотки за масою і не інструкція щодо приготування суміші на 100 мл, додаючи компоненти до 100 мл води. За типових налаштувань показане значення 0,2178% мас./об. оцтової кислоти означає 0,2178 г у 100 мл кінцевого розчину. Результат для ацетату натрію припускає саме тригідрат, який містить кристалізаційну воду; для безводного ацетату натрію потрібна інша маса.
Припущення та практичні поради
- Перевірте молярну масу оцтової кислоти. Калькулятор використовує 60,5 г/моль, щоб відтворити свої показані результати, але загальноприйнята молярна маса оцтової кислоти становить приблизно 60,05 г/моль. Для точного приготування використовуйте правильну молярну масу та зазначену чистоту вашого реактиву; за типових налаштувань 60,05 г/моль дало б близько 0,2161 г на 100 мл замість 0,2178 г.
- Перевірте форму реактиву. Розрахунок для ацетату натрію використовує 136,08 г/моль для тригідрату ацетату натрію. Якщо на вашій банці вказано «безводний», не використовуйте показану масу без змін. Якщо оцтова кислота постачається у вигляді рідкого концентрату, для перерахунку потрібної маси в об'єм також потрібні її концентрація та густина.
- Виміряйте кінцевий pH. Розрахунок використовує ідеалізоване співвідношення концентрацій і фіксований \(\mathrm{p}K_a\). Температура, іонна сила, чистота реактивів та додані розчинені речовини можуть змістити виміряний pH. Перевіряйте відкаліброваним pH-метром за температури використання, за потреби коригуйте та перевіряйте кінцевий об'єм.
- Працюйте поблизу \(\mathrm{p}K_a\) кислоти. Ацетатні буфери зазвичай найкорисніші в межах приблизно однієї одиниці pH від 4,75. Далеко за межами цього діапазону одного з компонентів стає замало, і буфер погано чинить опір змінам в одному напрямі.
Якщо ви готуєте буфер з наявного концентрату, калькулятор C1V1 = C2V2 може допомогти спланувати розведення. Для перевірки розрахунків мас реактивів калькулятор атомних мас може допомогти підтвердити маси, використані у формулі сполуки.
Часті запитання
Як розрахувати об'єми ацетатного буфера з концентратів оцтової кислоти та ацетату натрію?
Спочатку знайдіть необхідну кількість моль кожного компонента за цільовим pH і сумарною концентрацією. Поділіть кожну кількість моль на концентрацію відповідного концентрату в моль/л, щоб отримати об'єм цього концентрату в літрах. Злийте концентрати разом, додайте води до потрібного кінцевого об'єму та виміряйте pH. Такий підхід дозволяє уникнути зважування малих кількостей реактивів, але він припускає, що концентрації концентратів відомі точно.
Чи можна використати безводний ацетат натрію замість тригідрату ацетату натрію?
Так, але треба взяти меншу масу, оскільки безводний ацетат натрію не містить кристалізаційної води. Помножте масу тригідрату з калькулятора приблизно на \(82.03/136.08=0.603\). Наприклад, результат 0,8710 г тригідрату відповідає приблизно 0,525 г безводного ацетату натрію. Перед зважуванням перевірте на етикетці фактичну форму та чистоту реактиву.
Як перерахувати потрібну масу оцтової кислоти в об'єм рідкого реактиву?
Поділіть потрібну масу чистої кислоти на густину рідини, помножену на її масову частку оцтової кислоти: \(V=m/(\rho f)\). Використовуйте узгоджені одиниці, наприклад грами та г/мл, щоб отримати мілілітри. І густина, і концентрація залежать від продукту та температури, тому зверніться до етикетки реактиву або специфікації. З концентрованою оцтовою кислотою працюйте з належним захистом очей і вентиляцією.
Чи є буферна концентрація в мМ тим самим, що й буферна ємність ацетатного буфера?
Ні. Тут буферна концентрація — це сумарна концентрація оцтової кислоти та ацетату; буферна ємність описує, скільки доданої кислоти чи основи спричиняє задану зміну pH. Для ідеального ацетатного буфера ємність найбільша поблизу \(\mathrm{p}K_a\) кислоти, де обидва компоненти присутні в подібних кількостях. Отже, два буфери з однаковою сумарною концентрацією можуть мати різну ємність, якщо їхні значення pH відрізняються.
Чи можна приготувати ацетатний буфер частковою нейтралізацією оцтової кислоти NaOH?
Так. NaOH перетворює частину оцтової кислоти в ацетат, тож можна почати з кількості оцтової кислоти, потрібної для сумарної концентрації ацетатних форм, і поступово додавати NaOH, контролюючи pH. Цей спосіб приготування додає іони натрію без зважування ацетату натрію. Не додавайте занадто багато NaOH: надлишок змінює склад, а додавання кислоти для виправлення вносить додаткові речовини або зміни концентрації. Після коригування доведіть розчин до кінцевого об'єму.
Чому виміряний pH відрізняється від розрахованого?
Розрахунок використовує фіксований \(\mathrm{p}K_a\) і співвідношення концентрацій, тоді як pH-метр відгукується на активність іонів водню. На результат можуть впливати температура, іонна сила, інші розчинені речовини, чистота реактивів та калібрування приладу. Виконуйте вимірювання за тієї температури, за якої буфер використовуватиметься, за потреби обережно коригуйте та повторно перевіряйте pH після доведення розчину до кінцевого об'єму.