Valaki el tudná magyarázni a pufferekkel kapcsolatos kémiai számítások lényegét?

Talán így könnyebb lesz elképzelni: van egy kocsma. Ebben a kocsmában három különböző féle ember fordulhat meg: a pultos, a feketeöves alkoholista és a jótét lélek. A pultostól lehet sört/bort/pálinkát kapni. A jótét lélek szívesen iszik egyet, ha kap a pultostól, de a saját italát is inkább odaadja a feketeöves alkoholistának, ha utóbbit láthatóan az elvonásos delírium fenyegeti. A kérdés a rendelkezésre álló (még gazdátlan) italok mennyisége a kocsmában.

Ha a rendszerbe beleteszel plusz pultosokat, akkor a jótét lelkek magukhoz veszik a rendelkezésre álló italok egy részét, így kevesebb gazdátlan alkohol lesz, mint jótét lelkek nélkül. Ha viszont a feketeöves alkoholisták számát növeled, akkor a jótét lelkek fognak önként adományozni, így a gazdátlan italok mennyisége nem fog olyan mértékben csökkenni, mint nélkülük csökkenne.

Gondolom mostanra kitaláltad: a pultosok az erős savak, a feketeöves alkoholisták az erős bázisok, a jótét lelkek pedig a gyenge savak/bázisok vagy amfoter anyagok, amik pufferként viselkednek.

Mindezt számszerűen:

A puffer szívfájdalom nélkül fel is, le is tudja adni a protont, két állapotban létezhet: protonált (HA) és deprotonált (A-) állapotban. Ezek arányát az oldatban az egyensúlyi állandó adja meg: K_s = [c(H3O+) * c(A-)] / c[HA] (protonok - pontosabban a protonok által a vízzel képzett hidroxóniun ionok - koncentrációja szorozva a deprotonált puffer koncentrációjával, mindez osztva a protonált puffer koncentrációjával).

Mi történik, ha pl. erős savat adsz a rendszerbe? Az erős sav teljesen disszociálni fog (OK, szigorúan véve nem 100%-ig TELJESEN, de annyira nagy mértékben, hogy középiskolai szinten nyugodtan számolhatsz teljes disszociációval). Így annyi plusz proton/hidroxónium ion lesz a rendszerben, (amennyi értékű) * (amennyi mólnyi) erős savat beledöntöttél. Beáll egy új egyensúly, úgy, hogy K_s értéke változatlan marad (ezért nevezik egyensúlyi állandónak).

Hogy lesz ebből pH? Kezdjük ott, hogy egyáltalán mi az a pH. A pH a protonok (hidroxónium ionok) koncentrációjának tízes alapú logaritmusa, egy negatív előjellel ellátva. Mi köze ennek a puffer egyensúlyi állandójához? Ugye láttuk, hogy K_s = [c(H3O+) * c(A-)] / c[HA]. Ebből c(H3O+) = K_s * [c(HA) / c(A-)].

Miután ez egy egyenlet, büntetlenül vehetjük mindkét oldal tízes alapú logaritmusát, és válthatunk előjelet is:

-log[c(H3O+)] = -log(K_s) -log[c(HA) / c(A-)]

Mivel -log[c(H3O+)] az a pH, és -log(K_s) más néven a pK_s:

pH = pK_s - log[c(HA) / c(A-)]

Ezt nevezik Henderson-Hasselbach egyenlőségnek, és ez a pufferekkel kapcsolatos számítások kulcsa.

Hogy tudsz a gyakorlatban számolni? Van egy pufferoldatod, aminek tudod a K_s értékét. Ebből szépen kiszámolod, hogy az össz-puffermennyiséged mekkora hányada van protonált, és mekkora deprotonált állapotban. Most hozzádöntesz a rendszerhez erős bázist vagy savat. Kiszámolod, hogy az új egyensúlyban a puffer mekkora hányada protonált vagy deprotonált, és ezt behelyettesíted a Henderson-Hasselbach egyenletbe, az pedig kiköpi a pH értéket.