Οδηγός για τη δημιουργία απλού ρυθμιστικού διαλύματος φωσφορικών

Στη χημεία, ένα ρυθμιστικό διάλυμα χρησιμεύει για τη διατήρηση ενός σταθερού ρΗ όταν μια μικρή ποσότητα οξέος ή βάσης εισάγεται σε ένα διάλυμα. Ένα διάλυμα φωσφορικού ρυθμιστικού διαλύματος είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για βιολογικές εφαρμογές, οι οποίες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στις μεταβολές του ρΗ αφού είναι δυνατόν να παρασκευαστεί ένα διάλυμα κοντά σε οποιοδήποτε από τα τρία επίπεδα ρΗ.

Οι τρεις τιμές pKa για το φωσφορικό οξύ (από το CRC Handbook of Chemistry and Physics) είναι 2,16, 7,21 και 12,32. Το φωσφορικό μονονατρίδιο και η συζευγμένη βάση του, φωσφορικό δινάτριο, χρησιμοποιούνται συνήθως για τη δημιουργία ρυθμιστικών τιμών ρΗ γύρω στο 7, για βιολογικές εφαρμογές, όπως φαίνεται εδώ.

• Σημείωση: Θυμηθείτε ότι το pKa δεν μετράται εύκολα σε μια ακριβή τιμή. Μπορεί να υπάρχουν λίγες διαφορετικές τιμές στη βιβλιογραφία από διαφορετικές πηγές.

Κάνοντας αυτό το buffer είναι λίγο πιο περίπλοκο από το να κάνεις buffers TAE και TBE, αλλά η διαδικασία δεν είναι δύσκολη και πρέπει να διαρκέσει μόνο περίπου 10 λεπτά.

Υλικά

Για να φτιάξετε το ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών, θα χρειαστείτε τα παρακάτω υλικά:

• Φωσφορικό μονονατρίου
• Φωσφορικό δινάτριο.
• Φωσφορικό οξύ ή υδροξείδιο του νατρίου (NaOH)
• pH μετρητής και ανιχνευτής
• Ογκομετρική φιάλη
• Διαβαθμισμένοι κύλινδροι
• Ποτήρια
• Ανακατέψτε τις μπάρες
• Ανακατέψτε την εστία

Βήμα 1. Αποφασίστε για τις ιδιότητες Buffer

Πριν δημιουργήσετε ένα buffer, θα πρέπει πρώτα να μάθετε ποια είναι η γραμμομοριακότητα που θέλετε να είναι, ο όγκος που πρέπει να γίνει και ποιο είναι το επιθυμητό pH. Τα περισσότερα ρυθμιστικά διαλύματα λειτουργούν καλύτερα σε συγκεντρώσεις μεταξύ 0,1 Μ και 10 Μ. Το ρΗ θα πρέπει να είναι εντός 1 μονάδας ρΗ της βάσης οξέος / συζυγούς ρΚα. Για απλότητα, αυτός ο υπολογισμός δείγματος δημιουργεί 1 λίτρο ρυθμιστή.

Βήμα 2. Προσδιορίστε τον λόγο του οξέος προς τη βάση

Χρησιμοποιήστε την εξίσωση Henderson-Hasselbalch (HH) (παρακάτω) για να προσδιορίσετε ποια αναλογία οξέος προς βάση είναι απαραίτητη για να δημιουργήσετε ένα ρυθμιστικό διάλυμα του επιθυμητού ρΗ. Χρησιμοποιήστε την τιμή pKa πλησιέστερη στο επιθυμητό σας pH. η αναλογία αναφέρεται στο ζεύγος συζεύγματος όξινης βάσης που αντιστοιχεί στο ρΚα.

Εξίσωση HH: pH = pKa + log ([Base] / [Acid])

Για ρυθμιστικό διάλυμα με ρΗ 6,9, [Βάση] / [Οξύ] = 0,4898

Αντικαταστήστε το [Acid] και λύστε το για [Base]

Η επιθυμητή γραμμομοριακότητα του ρυθμιστικού διαλύματος είναι το άθροισμα του [Οξέος] + [Βάση].

Για ένα buffer 1 M, [Base] + [Acid] = 1 και [Βάση] = 1 - [Οξύ]

Αν υποκαθιστούμε αυτό στην εξίσωση της σχέσης, από το βήμα 2, παίρνετε:

[Οξύ] = 0,6712 moles / L

Επίλυση για το [Acid]

Χρησιμοποιώντας την εξίσωση: [Base] = 1 - [Acid], μπορείτε να υπολογίσετε ότι:

[Βάση] = 0,3288 moles / L

Βήμα 3. Αναμείξτε τη Βάση Οξέος και Σύζευξης

Αφού χρησιμοποιήσετε την εξίσωση Henderson-Hasselbalch για να υπολογίσετε την αναλογία οξέος προς τη βάση που απαιτείται για το ρυθμιστικό σας, ετοιμάστε λίγο λιγότερο από 1 λίτρο διαλύματος χρησιμοποιώντας τις σωστές ποσότητες φωσφορικού μονονατρίου και φωσφορικού δινατρίου.

Βήμα 4. Ελέγξτε το pH

Χρησιμοποιήστε έναν ανιχνευτή pH για να επιβεβαιώσετε ότι έχει επιτευχθεί το σωστό ρΗ για το ρυθμιστικό διάλυμα. Ρυθμίστε ελαφρώς όπως είναι απαραίτητο, χρησιμοποιώντας φωσφορικό οξύ ή υδροξείδιο του νατρίου (NaOH).

Βήμα 5. Διορθώστε την ένταση του ήχου

Μόλις επιτευχθεί το επιθυμητό ρΗ, φέρετε τον όγκο του ρυθμιστικού διαλύματος σε 1 λίτρο. Κατόπιν αραιώστε το ρυθμιστικό όπως επιθυμείτε. Αυτό το ίδιο buffer μπορεί να αραιωθεί για να δημιουργήσει ρυθμιστικά από 0,5 M, 0,1 M, 0,05 M, ή οτιδήποτε μεταξύ τους.

Ακολουθούν δύο παραδείγματα για τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να υπολογιστεί ένα φωσφορικό ρυθμιστικό διάλυμα, όπως περιγράφεται από τον Clive Dennison, Τμήμα Βιοχημείας του Πανεπιστημίου Natal της Νότιας Αφρικής.

Παράδειγμα Νο. 1

Η απαίτηση είναι για 0,1 Μ Να-φωσφορικό ρυθμιστικό διάλυμα, ρΗ 7,6.

Στην εξίσωση Henderson-Hasselbalch, ρΗ = pKa + log ([άλας] / [οξύ]), το άλας είναι Na2HP04 και το οξύ είναι NaH2PO4. Ένα ρυθμιστικό διάλυμα είναι πιο αποτελεσματικό στο pKa του, το οποίο είναι το σημείο όπου [αλάτι] = [οξύ]. Από την εξίσωση είναι σαφές ότι εάν το [άλας]> [οξύ], το pH θα είναι μεγαλύτερο από το pKa, και αν [αλάτι] <οξύ, το pH θα είναι μικρότερο από το pKa. Επομένως, αν φτιαχτούμε ένα διάλυμα του όξινου NaH2PO4, το ρΗ του θα είναι μικρότερο από το pKa και επομένως θα είναι επίσης μικρότερο από το ρΗ στο οποίο το διάλυμα θα λειτουργήσει ως ρυθμιστικό διάλυμα.

Για να δημιουργηθεί ένα ρυθμιστικό διάλυμα από αυτή τη λύση, θα είναι απαραίτητο να τιτλοδοτηθεί με μια βάση, σε ένα ρΗ πιο κοντά στο pKa. Το ΝθΟΗ είναι μια κατάλληλη βάση επειδή διατηρεί το νάτριο ως κατιόν:

NaH2P04 + NaOH - + Na2HP04 + Η2Ο.

Μόλις το διάλυμα τιτλοδοτηθεί στο σωστό pH, μπορεί να αραιωθεί (τουλάχιστον σε ένα μικρό εύρος, έτσι ώστε η απόκλιση από την ιδανική συμπεριφορά να είναι μικρή) στον όγκο που θα δώσει την επιθυμητή γραμμομοριακότητα. Η εξίσωση HH δηλώνει ότι ο λόγος άλατος προς οξύ, αντί των απόλυτων συγκεντρώσεών τους, καθορίζει το ρΗ. Σημειώστε ότι:

• Στην αντίδραση αυτή το μόνο παραπροϊόν είναι το νερό.
• Η γραμμομοριακότητα του ρυθμιστικού διαλύματος προσδιορίζεται από τη μάζα του οξέος, το NaH2P04, το οποίο ζυγίζεται, και τον τελικό όγκο στον οποίο παρασκευάζεται το διάλυμα. (Για το παράδειγμα αυτό απαιτούνται 15,60 g διένυδρου προϊόντος ανά λίτρο τελικού διαλύματος).
• Η συγκέντρωση του ΝαΟΗ δεν προκαλεί ανησυχία, επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε αυθαίρετη συγκέντρωση. Φυσικά, θα πρέπει να είναι αρκετά συγκεντρωμένη ώστε να επιφέρει την απαιτούμενη αλλαγή pH στο διαθέσιμο όγκο.
• Η αντίδραση υποδηλώνει ότι απαιτείται ένας απλός υπολογισμός της γραμμομοριακότητας και μιας μόνο ζύγισης: χρειάζεται μόνο μία λύση και όλο το υλικό που ζυγίζεται χρησιμοποιείται στο buffer - δηλαδή, δεν υπάρχει απόβλητο.

Σημειώστε ότι δεν είναι σωστό να ζυγίζετε πρώτα το "άλας" (Na2HPO4), καθώς αυτό δίνει ένα ανεπιθύμητο παραπροϊόν. Εάν ένα διάλυμα του άλατος είναι κατασκευασμένο, το ρΗ του θα είναι πάνω από το pKa και θα απαιτήσει τιτλοδότηση με ένα οξύ για να μειώσει το pH. Εάν χρησιμοποιείται HC1, η αντίδραση θα είναι:

Na2HP04 + ΗΟΙ - + NaH2P04 + NaC1,

αποδίδοντας NaCl, μίας απροσδιόριστης συγκέντρωσης, η οποία δεν είναι επιθυμητή στο ρυθμιστικό διάλυμα. Μερικές φορές-για παράδειγμα, σε μια ιοντική ανταλλαγή βαθμιδωτή βαθμίδα έκλουσης-απαιτείται να έχει μια κλίση, για παράδειγμα, [NaCl] επάνω στο ρυθμιστικό. Στη συνέχεια απαιτούνται δύο ρυθμιστικά διαλύματα για τους δύο θαλάμους της γεννήτριας βαθμίδωσης: το ρυθμιστικό διάλυμα εκκίνησης (δηλαδή το ρυθμιστικό διάλυμα εξισορρόπησης, χωρίς προσθήκη NaCl ή με την αρχική συγκέντρωση του NaCl) και το ρυθμιστικό διάλυμα τελικής επεξεργασίας, το οποίο είναι το ίδιο με το αρχικό ρυθμιστικό διάλυμα αλλά επιπλέον το οποίο περιέχει τη τελική συγκέντρωση NaCl.

Κατά την κατασκευή του ρυθμιστικού τελειώματος, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα κοινά αποτελέσματα ιόντων (λόγω του ιόντος νατρίου).

Παράδειγμα όπως σημειώνεται στο περιοδικό Biochemical Education 16(4), 1988.

Παράδειγμα αριθ. 2

Η απαίτηση είναι για ρυθμιστικό διάλυμα τελικής επεξεργασίας βαθμίδωσης ιοντικής αντοχής, ρυθμιστικό διάλυμα 0,1 Μ Να-φωσφορικού, ρΗ 7,6, που περιέχει 1,0 Μ NaCI .

Σε αυτή την περίπτωση, το NaC1 ζυγίζεται και συντίθεται μαζί με το NaHEPO4. τα κοινά ιόντα λαμβάνονται υπόψη στην τιτλοδότηση και έτσι αποφεύγονται περίπλοκοι υπολογισμοί. Για 1 λίτρο ρυθμιστικού διαλύματος διαλύονται NaH2P04.2H20 (15,60 g) και NaCl (58,44 g) σε περίπου 950 ml αποσταγμένου Η20, τιτλοδοτούνται σε ρΗ 7,6 με ένα αρκετά πυκνό διάλυμα ΝαΟΗ (αλλά με αυθαίρετη συγκέντρωση) και συμπληρώνονται μέχρι 1 λίτρο.

Παράδειγμα όπως σημειώνεται στο περιοδικό Biochemical Education 16(4), 1988.