Σε τι χρησιμοποιούνται λύσεις Buffer;

Τα ρυθμιστικά διαλύματα είναι ένας από τους πιο σημαντικούς τύπους χημικών αντιδραστηρίων που χρησιμοποιούνται στη χημική έρευνα, τη βιολογική έρευνα και τη βιομηχανία. Η χρησιμότητά τους οφείλεται κυρίως στην ικανότητά τους να αντιστέκονται στις αλλαγές στο pH. Εάν δώσατε προσοχή στην τάξη της επιστήμης, μπορεί να θυμάστε ότι το pH είναι μια μονάδα οξύτητας ενός διαλύματος. Για τους σκοπούς αυτής της συζήτησης, η οξύτητα μπορεί να οριστεί ως η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου (Η +) σε διάλυμα. Πόσο όξινο διάλυμα επηρεάζει ποιες αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα και πόσο γρήγορα. Η ικανότητα ελέγχου του pH είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχή ολοκλήρωση μεγάλου αριθμού χημικών αντιδράσεων, και έτσι τα ρυθμιστικά διαλύματα έχουν τεράστιο αριθμό εφαρμογών. Αλλά πρώτα, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν οι λύσεις buffer.

Τα ρυθμιστικά διαλύματα είναι συνήθως ένας συνδυασμός ενός οξέος και της συζευγμένης βάσης του. Όπως μάθαμε παραπάνω, η οξύτητα μπορεί να οριστεί ως η συγκέντρωση ιόντων Η + στο διάλυμα. Επομένως, τα οξέα είναι ενώσεις που απελευθερώνουν ιόντα Η + σε διάλυμα. Εάν τα οξέα αυξάνουν τη συγκέντρωση του Η +, προκύπτει ότι τα αντίθετα, βάσεις, μειώνουν τη συγκέντρωση του Η +.

Όταν ένα οξύ χάνει ένα H +, δημιουργεί μια συζυγή βάση. Αυτό απεικονίζεται καλύτερα λαμβάνοντας ένα παράδειγμα, όπως CH3COOH (οξικό οξύ). Όταν το CH3COOH δρα ως οξύ, διαχωρίζεται σε H + και CH3COO- (οξικό). Το CH3COO- είναι μια βάση, καθώς μπορεί να δεχτεί Η + για να δημιουργήσει οξικό οξύ. Είναι συνεπώς η συζυγιακή βάση του οξικού οξέος ή η βάση που παράγεται όταν το οξικό οξύ απελευθερώνει ένα ιόν Η +. Αυτή η ιδέα φαίνεται περίπλοκη στην αρχή, αλλά να είστε βέβαιοι ότι δεν είναι δύσκολο να διαλέξετε συζευγμένες βάσεις σε πραγματικές αντιδράσεις. Είναι ουσιαστικά τι απομένει από το οξύ μετά την απελευθέρωση ιόντος H +.

Οι χημικές αντιδράσεις είναι αναστρέψιμες. Λαμβάνοντας την αντίδρασή μας από ψηλά ως παράδειγμα,

CH3COOH> CH3COO- και H +

Τα CH3COO- και H + (τα προϊόντα) μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν CH3COOH (αρχικό υλικό), το οποίο θα ονομάζουμε «αντίστροφη αντίδραση». Μια αντίδραση μπορεί έτσι να προχωρήσει προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά, προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Η Αρχή του Le Chatelier είναι ένας κανόνας που δηλώνει ότι η αριστερή και η δεξιά πλευρά της αντίδρασης προτιμούν μια συγκεκριμένη ισορροπία ή αναλογία μεταξύ τους. Σε αυτήν την περίπτωση, η Αρχή του Le Chatelier δηλώνει βασικά ότι εάν προσθέσετε περισσότερο προϊόν (H + ή οξικό), το Η αντίδραση θα μετακινηθεί προς τα αριστερά (προς τα αρχικά υλικά) και το αρχικό υλικό (οξικό οξύ) θα σχηματιστεί απάντηση.

Ομοίως, εάν προστεθεί περισσότερο προϊόν, θα σχηματιστεί περισσότερο αρχικό υλικό. Όταν σχηματίζεται CH3COOH, το Η + απομακρύνεται από το διάλυμα καθώς συνδέεται με το CH3COO-, και έτσι η οξύτητα του διαλύματος δεν θα αυξηθεί. Η ίδια γενική αρχή ισχύει εάν προστεθεί μια βάση, απελευθερώνεται περισσότερο Η + και το pH του διαλύματος παραμένει αμετάβλητο. Αυτή είναι η μέθοδος με την οποία ένα ρυθμιστικό διάλυμα ή ένας συνδυασμός ενός οξέος και της συζευγμένης βάσης του, μπορεί να αντισταθεί στις αλλαγές στο pH.

Το σώμα σας χρησιμοποιεί ρυθμιστικά για να διατηρήσει το pH του αίματος 7,35-7,45, καθώς και σε ένα τεράστιο αριθμό βιοχημικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν ένζυμα. Τα ένζυμα είναι πολύπλοκες ενώσεις που συχνά απαιτούν ακριβή επίπεδα pH για να αντιδράσουν σωστά, έναν ρόλο γεμάτο από οργανικά ρυθμιστικά που παράγονται από το σώμα σας. Για τον ίδιο λόγο, τα buffer είναι ζωτικής σημασίας για έναν βιολόγο ή χημικό που εκτελεί πειράματα στο εργαστήριο. Συχνά απαιτείται ένα ορισμένο pH για να πραγματοποιηθεί η διαδικασία που μελετάται και τα ρυθμιστικά διαλύματα είναι ο μόνος τρόπος για να διασφαλιστούν αυτές οι συνθήκες.

Τα ρυθμιστικά διαλύματα χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στη βιομηχανία. Οι βιομηχανικές διεργασίες που απαιτούν ρυθμιστικά διαλύματα περιλαμβάνουν ζύμωση, έλεγχο διεργασιών βαφής και κατασκευή φαρμακευτικών προϊόντων.