Jakie są stosowane rozwiązania buforowe?

Roztwory buforowe są jednym z najważniejszych rodzajów odczynników chemicznych stosowanych w badaniach chemicznych, biologicznych i przemyśle. Ich użyteczność wynika przede wszystkim z odporności na zmiany pH. Jeśli zwracałeś uwagę na zajęciach ścisłych, być może pamiętasz, że pH jest jednostką kwasowości roztworu. Na potrzeby tej dyskusji kwasowość można zdefiniować jako stężenie jonów wodorowych (H+) w roztworze. To, jak kwaśny jest roztwór, wpływa na to, jakie reakcje zachodzą i jak szybko. Możliwość kontrolowania pH ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego zakończenia dużej liczby reakcji chemicznych, dlatego roztwory buforowe mają ogromną liczbę zastosowań. Ale najpierw ważne jest, aby zrozumieć, jak działają roztwory buforowe.

Roztwory buforowe są zwykle kombinacją kwasu i jego sprzężonej zasady. Jak dowiedzieliśmy się powyżej, kwasowość można zdefiniować jako stężenie jonów H+ w roztworze. Dlatego kwasy są związkami, które uwalniają jony H+ do roztworu. Jeśli kwasy zwiększają stężenie H+, wynika z tego, że przeciwieństwa, zasady, zmniejszają stężenie H+.

Kiedy kwas traci H+, tworzy sprzężoną zasadę. Najlepiej ilustruje to przykład, taki jak CH3COOH (kwas octowy). Gdy CH3COOH działa jak kwas, dysocjuje na H+ i CH3COO- (octan). CH3COO- jest zasadą, ponieważ może przyjąć H+, tworząc kwas octowy. Jest to zatem sprzężona zasada kwasu octowego lub zasada wytwarzana, gdy kwas octowy uwalnia jon H+. Ta koncepcja wydaje się z początku skomplikowana, ale zapewniam, że nie jest trudno znaleźć sprzężone zasady w rzeczywistych reakcjach. Jest to zasadniczo to, co pozostało z kwasu po uwolnieniu jonu H+.

Reakcje chemiczne są odwracalne. Biorąc za przykład naszą reakcję z góry,

CH3COOH > CH3COO- i H+

CH3COO- i H+ (produkty) mogą się łączyć, tworząc CH3COOH (materiał wyjściowy), który nazwalibyśmy „reakcją odwrotną”. Reakcja może więc przebiegać w prawo lub w lewo, do przodu lub do tyłu. Zasada Le Chateliera to zasada mówiąca, że ​​lewa i prawa strona reakcji preferuje pewną równowagę lub stosunek między sobą. W tym przypadku zasada Le Chateliera zasadniczo mówi, że jeśli dodasz więcej produktu (H+ lub octan), reakcja przesunie się w lewo (w kierunku materiałów wyjściowych), a materiał wyjściowy (kwas octowy) utworzy się w odpowiedź.

Podobnie, jeśli doda się więcej produktu, powstanie więcej materiału wyjściowego. Kiedy tworzy się CH3COOH, H+ jest usuwany z roztworu, ponieważ wiąże się z CH3COO-, a zatem kwasowość roztworu nie wzrośnie. Ta sama ogólna zasada obowiązuje, gdy dodaje się zasadę, uwalnia się więcej H+ i pH roztworu pozostaje niezmienione. Jest to metoda, dzięki której roztwór buforowy lub kombinacja kwasu i jego sprzężonej zasady może wytrzymać zmiany pH.

Twoje ciało używa buforów, aby utrzymać pH krwi 7,35-7,45, a także w ogromnej liczbie reakcji biochemicznych z udziałem enzymów. Enzymy są bardzo złożonymi związkami często wymagającymi precyzyjnego poziomu pH, aby prawidłowo reagować, a rolę pełnią bufory organiczne wytwarzane przez organizm. Z tego samego powodu bufory są niezbędne dla biologa lub chemika przeprowadzającego eksperymenty w laboratorium. Do zajścia badanego procesu często wymagane jest określone pH, a roztwory buforowe są jedynym sposobem zapewnienia tych warunków.

Rozwiązania buforowe są również szeroko stosowane w przemyśle. Procesy przemysłowe wymagające roztworów buforowych obejmują fermentację, kontrolę procesów barwienia i produkcję farmaceutyków.