Οδηγός για τη δημιουργία ενός απλού ρυθμιστικού διαλύματος φωσφορικών

Στη χημεία, α ρυθμιστήςλύση χρησιμεύει στη 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, συνήθως χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ρυθμιστικών τιμών ρΗ γύρω στο 7, για βιολογικές εφαρμογές, όπως φαίνεται εδώ.

• Σημείωση: Θυμηθείτε ότι το pKa δεν μετράται εύκολα με 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.

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
• Διαβαθμισμένους κυλίνδρους
• Ποτήρια
• Ανακατέψτε τις μπάρες
• Ανακατέψτε την εστία

Πριν δημιουργήσετε ένα buffer, θα πρέπει πρώτα να μάθετε ποια γραμμομοριακότητα θέλετε να είναι, ποιος όγκος 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 μίας μονάδας ρΗ της βάσης οξέος / συζυγούς ρΚα. Για απλότητα, αυτός ο υπολογισμός δείγματος δημιουργεί 1 λίτρο ρυθμιστικού.

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

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

Για ρυθμιστικό διάλυμα 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

Αφού χρησιμοποιήσετε το Henderson-Hasselbalch εξίσωση για να υπολογίσετε την αναλογία οξύτητας προς βάση που απαιτείται για το ρυθμιστικό σας, παρασκευάστε μόλις κάτω από 1 λίτρο διαλύματος χρησιμοποιώντας τις σωστές ποσότητες φωσφορικού μονονατρίου και φωσφορικού δινατρίου.

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

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 στο Πανεπιστήμιο Natal της Νότιας Αφρικής.

Η απαίτηση αφορά ρυθμιστικό διάλυμα 0,1 Μ Na-φωσφορικού, ρΗ 7,6.

Στην εξίσωση Henderson-Hasselbalch, ρΗ = pKa + log ([άλας] / [οξύ]), το άλας είναι Na2HPO4 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 [άλας]

NaH2P04 + NaOH - + Na2HP04 + Η2Ο.

Μόλις το διάλυμα τιτλοδοτηθεί στο σωστό pH, μπορεί να αραιωθεί (τουλάχιστον σε ένα μικρό έτσι ώστε η απόκλιση από την ιδανική συμπεριφορά να είναι μικρή) στην ένταση που θα δώσει το επιθυμητό γραμμομοριακότητα. Η εξίσωση HH δηλώνει ότι ο λόγος άλατος προς οξύ, παρά οι απόλυτες συγκεντρώσεις τους, καθορίζει το ρΗ. Σημειώστε ότι:

• Στην αντίδραση αυτή, το μόνο υποπροϊόν 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 στον διαθέσιμο όγκο.
• Η αντίδραση υποδηλώνει ότι απαιτείται ένας απλός υπολογισμός της γραμμομοριακότητας και μιας μόνο ζύγισης: μόνο ένας η λύση πρέπει να γίνει και όλο το υλικό που ζυγίζεται χρησιμοποιείται στο buffer - δηλαδή, δεν υπάρχει απόβλητα.

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, μιας απροσδιόριστης συγκέντρωσης, η οποία δεν είναι επιθυμητή στο ρυθμιστικό διάλυμα. Μερικές φορές-για παράδειγμα, σε μια έκλουση ιοντικής ανταλλαγής ιοντικής αντοχής - απαιτείται να υπάρχει μια κλίση, για παράδειγμα, [NaC1] που υπερτίθεται στο ρυθμιστικό. Στη συνέχεια απαιτούνται δύο ρυθμιστικά για τους δύο θαλάμους της γεννήτριας κλίσης: το ρυθμιστικό εκκίνησης (δηλαδή, το ρυθμιστικό εξισορρόπησης, χωρίς προσθήκη NaCl, ή με το αρχική συγκέντρωση NaC1) και το ρυθμιστικό διάλυμα τελικής επεξεργασίας, το οποίο είναι το ίδιο με το ρυθμιστικό διάλυμα έναρξης αλλά το οποίο επιπλέον περιέχει την τελική συγκέντρωση NaCl. Κατά την παρασκευή του ρυθμιστικού τελειώματος, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα κοινά φαινόμενα ιόντων (λόγω του ιόντος νατρίου).

Παράδειγμα όπως σημειώνεται στο περιοδικό Biochemical Education16(4), 1988.

Η απαίτηση είναι για ρυθμιστικό διάλυμα τελικής επεξεργασίας βαθμιδωτής ιοντικής αντοχής, 0,1 Μ Na-φωσφορικό ρυθμιστικό διάλυμα, ρΗ 7,6, που περιέχει 1,0 Μ NaCI.

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

Παράδειγμα όπως σημειώνεται στο περιοδικό Biochemical Education16(4), 1988.