V čom sa používajú nárazníkové riešenia?

Pufrovacie roztoky sú jedným z najdôležitejších typov chemických činidiel používaných v chemickom výskume, biologickom výskume a priemysle. Ich užitočnosť vyplýva predovšetkým z ich schopnosti odolávať zmenám pH. Ak ste venovali pozornosť na hodine prírodovedy, možno si spomeniete, že pH je jednotkou kyslosti roztoku. Na účely tejto diskusie možno kyslosť definovať ako koncentráciu vodíkových iónov (H +) v roztoku. To, ako je roztok kyslý, ovplyvňuje to, aké reakcie prebiehajú a ako rýchlo. Schopnosť kontrolovať pH je rozhodujúca pre úspešné dokončenie veľkého množstva chemických reakcií, a preto majú tlmivé roztoky obrovské množstvo aplikácií. Najskôr je však dôležité pochopiť, ako fungujú nárazníkové riešenia.

Pufrovacie roztoky sú zvyčajne kombináciou kyseliny a jej konjugovanej bázy. Ako sme sa dozvedeli vyššie, kyslosť sa dá definovať ako koncentrácia iónov H + v roztoku. Preto sú kyseliny zlúčeniny, ktoré uvoľňujú H + ióny do roztoku. Ak kyseliny zvyšujú koncentráciu H +, znamená to, že protiklady, zásady, znižujú koncentráciu H +.

Keď kyselina stratí H +, vytvorí sa konjugovaná báza. Najlepšie to ilustrujeme na príklade, ako je napríklad CH3COOH (kyselina octová). Keď CH3COOH pôsobí ako kyselina, disociuje na H + a CH3COO- (acetát). CH3COO- je báza, pretože dokáže prijať H + za vzniku kyseliny octovej. Je to teda konjugovaná zásada kyseliny octovej alebo zásada, ktorá sa vytvára, keď kyselina octová uvoľní H + ión. Tento koncept sa na prvý pohľad zdá komplikovaný, ale môžete si byť istí, že nie je ťažké vybrať konjugované bázy v skutočných reakciách. Je to v podstate to, čo zostalo z kyseliny po uvoľnení H + iónu.

Chemické reakcie sú reverzibilné. Keď si vezmeme príklad z našej reakcie zhora,

CH3COOH> CH3COO- a H +

CH3COO- a H + (produkty) sa môžu spojiť a vytvoriť CH3COOH (východiskový materiál), ktorý by sme nazvali „reverzná reakcia“. Reakcia tak môže prebiehať doprava alebo doľava, dopredu alebo dozadu. Le Chatelierov princíp je pravidlo, ktoré hovorí, že ľavá a pravá strana reakcie uprednostňujú určitú rovnováhu alebo pomer medzi sebou. V takom prípade Le Chatelierov princíp v podstate hovorí, že ak pridáte viac produktu (H + alebo acetát), potom reakcia sa posunie doľava (k východiskovým látkam) a východisková látka (kyselina octová) sa vytvorí v odpoveď.

Podobne, ak sa pridá viac produktu, vytvorí sa viac východiskového materiálu. Keď sa vytvorí CH3COOH, odstráni sa H + z roztoku, pretože sa viaže s CH3COO-, a teda kyslosť roztoku sa nezvýši. Rovnaký všeobecný princíp platí, ak sa pridá zásada, uvoľní sa viac H + a pH roztoku sa nezmení. Toto je metóda, pomocou ktorej tlmivý roztok alebo kombinácia kyseliny a jej konjugovanej bázy odoláva zmenám pH.

Vaše telo používa pufre na udržanie pH krvi 7,35-7,45 a tiež na množstvo biochemických reakcií zahŕňajúcich enzýmy. Enzýmy sú veľmi zložité zlúčeniny, ktoré často vyžadujú presnú hladinu pH, aby mohla správne reagovať. Túto úlohu plnia organické pufre produkované vašim telom. Z rovnakého dôvodu sú pufre životne dôležité pre biológa alebo chemika vykonávajúceho experimenty v laboratóriu. Na to, aby nastal študovaný proces, bude často potrebné určité pH, a tlmivé roztoky sú jediným spôsobom, ako zabezpečiť tieto podmienky.

Vyrovnávacie roztoky sa tiež široko používajú v priemysle. Priemyselné procesy vyžadujúce tlmivé roztoky zahŕňajú fermentáciu, riadenie procesov farbenia a výrobu farmaceutických výrobkov.