بافر یا تامپون

طبیعی است که موقع اضافه کردن اسید یا باز به یک محلول، pH محلول تغییر کند. برخی از محلولها موقع اضافه کردن اسید یا باز تغییرات pH قابل توجهی نشان می دهند، در حالیکه برخی دیگر تغییرات pH ناچیزی نشان می دهند. به محلولهایی که موقع اضافه کردن اسید یا باز تغییرات pH ناچیزی دارند و pH آنها تقریبا ثابت می ماند، محلول های بافر یا تامپون می گویند. مثال در ادامه آمده را در نظر بگیرید.

مثال: فرض کنید یک لیتر از محلول  حاوی آب خالص و یک لیتر از محلول  حاوی
 داریم. مقدار تغییر  هریک از محلولها را براثر هریک از تغییرات زیر بیابید. تغییرات به صورت جداگانه و نه پشت سرهم اعمال می شوند و از تغییر حجم محلولها صرف نظر کنید.

الف)  لیتر آب خالص به هر محلول اضافه کنیم.

ب)  مول به هر محلول اضافه کنیم.

ج)  مول به هر محلول اضافه کنیم.

حل:

در ابتدا،  اولیه هر محلول را محاسبه می کنیم:

حال  نهایی یا  هر محلول را براساس تغییر اعمال شده و فرمولهای قبلی محاسبه می کنیم و سپس مقدار تغییرات  را برای هر مورد بدست می آوریم.

الف) در اثر اضافه کردن لیتر آب خالص به یک لیتر محلول ،  لیتر آب خالص بدست می آوریم که برای  آن و تغییراتش داریم:

در اثر اضافه کردن لیتر آب خالص به یک لیتر محلول ،  لیتر محلول  بدست می آوریم که برای  آن و تغییراتش داریم:

از آنجائیکه برای زوج و  در حضور هم، در صورت صادق بودن تقریب ها،  به نسبت غلظت های اسید و باز مزدوج بستگی دارد و نه خود غلظت ها و در اثر رقت نسبت غلظت ها تغییر نمی کند، مقدار تغییرات  محلول  برابر صفر بدست آمده است.

در این مورد، هر دو محلول تغییرات  مشابهی نشان می دهند.

ب) در اثر اضافه کردن  مول به یک لیتر محلول ، یک لیتر محلول  بدست می آوریم که برای محاسبه  آن و تغییراتش داریم:

در اثر اضافه کردن  مول  به یک لیتر محلول ،  لیتر محلول  و  و  بدست می آوریم که برای محاسبه  آن، ابتدا بایستی واکنش کمی موجود بین اسید قوی  و باز ضعیف  را در نظر بگیریم. داریم:

بر اثر واکنش کمی، محلول نهایی حاوی  خواهد بود که برای محاسبه  آن و تغییراتش داریم:

هر دو محلول بر اثر اضافه کردن ، کاهش  یا تغییرات  منفی نشان می دهند (این مطلب بایستی برای اضافه کردن اسید به هر محلولی صادق باشد، چراکه با افزایش اسید، غلظت  محلول هم افزایش می یابد)، اما مقدار تغییرات  محلول  بسیار کمتر از مقدار تغییرات  محلول  است.

ج) در اثر اضافه کردن  مول به یک لیتر محلول ،  لیتر محلول  بدست می آوریم که برای محاسبه  آن و تغییراتش داریم:

در اثر اضافه کردن  مول  به یک لیتر محلول ،  لیتر محلول  و  و  بدست می آوریم که برای محاسبه  آن، ابتدا بایستی واکنش کمی موجود بین باز قوی  و اسید ضعیف  را در نظر بگیریم. داریم:

بر اثر واکنش کمی نوشته شده، محلول نهایی حاوی  و  خواهد بود که برای محاسبه  آن و تغییراتش داریم:

هر دو محلول بر اثر اضافه کردن ، افزایش  یا تغییرات  مثبت نشان می دهند (این مطلب بایستی برای اضافه کردن باز به هر محلولی صادق باشد، چراکه با افزایش باز، غلظت  محلول افزایش و درنتیجه غلظت  محلول کاهش می یابد)، اما مقدار تغییرات  محلول  بسیار کمتر از مقدار تغییرات  محلول  است.

*****

همانطور که مثال قبلی نشان می دهد، برخی محلولها (مثل محلول ) بر اثر تغییراتی مثل رقت یا اضافه کردن اسید یا باز معمولاً تغییرات  قابل توجهی دارند، اما برخی دیگر از محلولها (مثل محلول ) بر اثر اعمال همان تغییرات معمولاً تغییرات  اندک یا قابل صرف نظر کردن دارند و به اصطلاح در مقابل تغییرات  مقاومت می کنند. همانطور که گفتیم، به محلولهایی که تغییرات  اندکی براثر اعمال تغییراتی مثل رقت یا اضافه کردن اسید یا باز نشان می دهند و در مقابل تغییرات  مقاومت می کند، محلولهای بافر یا تامپون گفته می شود. به عنوان مثال محلول  در مثال قبلی می تواند یک محلول بافر یا تامپون فرض شود که  را تقریباً در مقدار  تثبیت کرده است، در حالیکه ادعای تثبیت  برای محلول  صادق نیست و محلول  نمی تواند یک محلول بافر یا تامپون فرض شود.

به طور کلی چهاردسته از محلول ها خصلت بافری از خود نشان می دهند یا به عبارتی در مقابل تغییرات  مقاومت می کنند:

1- محلول اسید و باز ضعیف مزدوج در حضور هم (مثال: محلول )

2- محلول اسید و باز ضعیف غیرمزدوج در حضور هم (مثال: محلول )

3- محلول حاوی اسید قوی با غلظت بالا یا محلول حاوی باز قوی با غلظت بالا (مثال: محلول ، محلول )

4- محلول حاوی گونه های آمفوتری (مثال: محلول )

بطور خلاصه محلول های دسته اول و دوم بدین علت از خود خصلت بافری نشان می دهند که با اضافه کردن اسید، باز وارد واکنش شده و  های اضافه شده را مصرف می کند و با اضافه کردن باز، اسید وارد واکنش شده و های اضافه شده را مصرف می کند، در نتیجه با اضافه کردن اسید یا باز، غلظت  یا محلول چندان تغییر نمی کند که معادل ثابت ماندن  محلول است. در مورد محلول های دسته چهارم هر دو نقش اسیدی و بازی توسط گونه آمفوتری موجود در محلول صورت می گیرد. در مورد محلول های دسته سوم از همان اول بعلت بالا بودن غلظت  یا محلول،  یا اضافه شده تاثیر چندانی روی غلظت  یا محلول و به تبع  محلول ندارد.

ظرفیت یا مقاومت بافر معیاری از توانائی بافر در تثبیت  است. هرچه تغییرات بافر بر اثر اعمال تغییراتی مثل رقت یا اضافه کردن اسید یا باز، کمتر باشد، بافر قویتر با ظرفیت و مقاومت بالاتر درنظر گرفته می شود. از بین انواع بافرها، محلول های اسید و باز ضعیف مزدوج متداولترین و بهترین هستند و در ادامه ما به آنها می پردازیم. در عمل زماني محلول  و که  و اسید و باز ضعیف مزدوج هستند، را مي توان بافر فرض كرد كه  و  از لحاظ عددي بزرگ باشند و همچنين نسبت آنها به  نزديك باشد. تنها در اينصورت خواهد بود که محلول، مقاومت كافي در مقابل تغييرات  برای بافر فرض شدن نمايش مي دهد. براي يك مجموع مشخص  و  (یعنی جمع  و  را داریم ثابت درنظر می گیریم)، مقاومت بافر براي بيشترين است. در بيشتر موارد در صورتيكه نسبت  و  بين  و  باشد، به حد كافي به  نزديك فرض مي شود و اگر  و  نيز به حد كافي بزرگ باشند (مقدار عددي آنها براي به حد كافي بزرگ فرض شدن بستگي به كاربرد بافر و ظرفيت مورد انتظار آن دارد) محلول  و  مي تواند داراي خصلت بافري فرض شود.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||