B6.7 Puffersystemer

Kernestof på kemi A

NoteDet skal du kunne
  • forklare, hvad et puffersystem er, og hvad det består af
  • forklare med reaktionsskemaer, hvorfor et puffersystem holder pH næsten konstant
  • beregne pH i et puffersystem med pufferligningen
  • beregne pH, efter at der er tilsat syre eller base til et puffersystem
  • afgøre ud fra pH og pKs, om et stof mest findes som syre eller som base

Dit blod har pH 7,4, og det må kun svinge nogle få hundrededele. Alligevel danner kroppen hele tiden syrer, fx mælkesyre, når musklerne arbejder. Når pH ikke styrtdykker, skyldes det, at blodet er et puffersystem.

Hvad er et puffersystem?

Et puffersystem er en opløsning, der indeholder både en svag syre og dens korresponderende base i mængder, der ligner hinanden. Et puffersystem holder pH næsten konstant, selv om der tilsættes lidt syre eller lidt base.

Puffersystem Syren Basen Findes i
ethansyre og ethanoat CH3COOH CH3COO− laboratoriet, syltede fødevarer
kulsyre og hydrogencarbonat H2CO3 HCO3− blodet, havvand
ammonium og ammoniak NH4+ NH3 laboratoriet
dihydrogenphosphat og hydrogenphosphat H2PO4− HPO42− cellerne, sodavand

Et puffersystem kan fremstilles ved at opløse syren og et salt af dens base i samme vand, fx ethansyre og natriumethanoat. Også middelstærke syrer som mælkesyre kan danne puffersystemer. Det afgørende er, at syren ikke er stærk, så dens base kan fange hydroner.

Derfor ændrer pH sig næsten ikke

Puffersystemet har et lager af både syre og base. Uanset hvad der tilsættes, er der noget, der kan fange det.

Figur 1: Sådan reagerer et puffersystem af ethansyre og ethanoat.

De tilsatte oxoniumioner bliver ikke i opløsningen. De bliver brugt af basen og lavet om til den svage syre, som kun afgiver meget få hydroner igen. Det samme sker med hydroxidioner, der bliver brugt af syren. Begge reaktioner går helt til ende.

Pufferligningen

pH i et puffersystem kan beregnes ud fra syrestyrkekonstanten. Udtrykket for Ks løses for [H3O+]:

\[ K_\mathrm{s} = \frac{[\mathrm{B}] \cdot [\mathrm{H_3O^+}]}{[\mathrm{S}]} \qquad\Rightarrow\qquad [\mathrm{H_3O^+}] = K_\mathrm{s} \cdot \frac{[\mathrm{S}]}{[\mathrm{B}]} \]

Tager man −log på begge sider, får man pufferligningen:

\[ \mathrm{pH} = \mathrm{p}K_\mathrm{s} + \log\left(\frac{[\mathrm{B}]}{[\mathrm{S}]}\right) \]

Syren og basen er opløst i det samme volumen. Forholdet mellem de to koncentrationer er derfor det samme som forholdet mellem stofmængderne, og man kan regne direkte med stofmængder:

\[ \mathrm{pH} = \mathrm{p}K_\mathrm{s} + \log\left(\frac{n_\mathrm{b}}{n_\mathrm{s}}\right) \]

Her er nb stofmængden af basen og ns stofmængden af syren. Stofmængderne står tit i millimol, mmol. 1 mmol er 0,001 mol. Tre ting kan læses direkte af ligningen:

  • Er der lige meget syre og base, er brøken 1, og log(1) = 0. Så er pH = pKs.
  • Er der mest base, er pH højere end pKs. Er der mest syre, er pH lavere.
  • Fortyndes opløsningen, ændrer forholdet sig ikke. pH i et puffersystem er derfor uafhængig af fortynding.
NoteEksempel: pH i et puffersystem

Et puffersystem fremstilles af 40 mmol ethansyre og 30 mmol natriumethanoat, som opløses i vand til 100 mL. Hvad er pH? For ethansyre er pKs = 4,76.

Kendte størrelser

ns = 40 mmol og nb = 30 mmol

Beregning

\[ \mathrm{pH} = \mathrm{p}K_\mathrm{s} + \log\left(\frac{n_\mathrm{b}}{n_\mathrm{s}}\right) = 4{,}76 + \log\left(\frac{30\ \mathrm{mmol}}{40\ \mathrm{mmol}}\right) = 4{,}64 \]

Konklusion

pH er 4,64. Det er lidt lavere end pKs, fordi der er mest af syren.

Når der tilsættes syre eller base

Når der tilsættes en stærk syre eller en stærk base, regner man i to trin. Først finder man de nye stofmængder med et skema. Derefter bruges pufferligningen.

NoteEksempel: saltsyre i et puffersystem

Til puffersystemet fra før tilsættes 20 mL 0,10 M saltsyre. Hvad bliver pH?

Trin 1: stofmængden af den tilsatte syre

\[ n(\mathrm{HCl}) = c \cdot V = 0{,}10\ \dfrac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}} \cdot 0{,}020\ \mathrm{L} = 0{,}0020\ \mathrm{mol} = 2{,}0\ \mathrm{mmol} \]

Trin 2: reaktionen og de nye stofmængder

Oxoniumionerne fra saltsyren reagerer med puffersystemets base. Reaktionen går til ende.

CH3COO− + H3O+ → CH3COOH + H2O
Før 30 mmol 2,0 mmol 40 mmol
Ændring −2,0 mmol −2,0 mmol +2,0 mmol
Efter 28 mmol 0 mmol 42 mmol

Trin 3: pufferligningen

\[ \mathrm{pH} = 4{,}76 + \log\left(\frac{28\ \mathrm{mmol}}{42\ \mathrm{mmol}}\right) = 4{,}58 \]

Konklusion

pH falder fra 4,64 til 4,58. Det er kun 0,06. Havde der i stedet været 2,0 mmol saltsyre i 100 mL rent vand, ville koncentrationen have været 0,020 M, og pH ville være faldet fra 7,00 til 1,70.

Figur 2: Den samme mængde saltsyre i rent vand og i et puffersystem.

Et puffersystem kan ikke holde til alt. Er der tilsat så meget syre, at al basen er brugt, er der ikke mere at fange hydronerne med, og pH falder brat. Man siger, at puffersystemets kapacitet er opbrugt.

Syre eller base? pH og pKs afgør det

Pufferligningen fortæller også, hvordan et stof fordeler sig på syreform og baseform ved en bestemt pH.

Figur 3: Fordelingen mellem ethansyre og ethanoat som funktion af pH.
pH i forhold til pKs Forholdet nb : ns På baseform
2 under 1 : 100 1 %
1 under 1 : 10 9 %
lig med pKs 1 : 1 50 %
1 over 10 : 1 91 %
2 over 100 : 1 99 %
VigtigtHuskereglen

Er pH lavere end pKs, findes stoffet mest som syre. Er pH højere end pKs, findes det mest som base. Ved pH = pKs er der halvt af hver.

Et puffersystem virker bedst i området fra én pH-enhed under til én over pKs. Her er der nok af både syren og basen. Skal man lave en puffer med en bestemt pH, vælger man derfor en syre, hvis pKs ligger tæt på den ønskede pH.

Reglen forklarer også det, du så i kapitel B4. En carboxylsyre med pKs omkring 5 findes som syre i mavens pH 2 og som ion i tarmens pH 8. Forskellen på syren og ionen står i afsnit B4.4. For en amin er det ammonium-ionen, der er syren. Den har pKs omkring 10, så aminen findes som ion ved alle pH-værdier under 9. Det står i afsnit B4.6.

Blodets puffersystem

Blodets vigtigste puffersystem er kulsyre og hydrogencarbonat. Kulsyren står i ligevægt med carbondioxid, som du udånder:

CO2 + 2 H2O ⇌ H2CO3 + H2O ⇌ HCO3− + H3O+

Danner musklerne mælkesyre, fanger hydrogencarbonat hydronerne og bliver til kulsyre. Kulsyren bliver til carbondioxid, og du trækker vejret hurtigere for at komme af med den. På den måde holder kroppen forholdet mellem base og syre fast, og pH bliver ved 7,4.

NoteKort sagt
  • Et puffersystem indeholder en svag syre og dens korresponderende base i mængder, der ligner hinanden.
  • Tilsat syre bliver fanget af basen, og tilsat base bliver fanget af syren. Derfor ændrer pH sig kun lidt.
  • Pufferligningen er pH = pKs + log(nb / ns).
  • Er der lige meget syre og base, er pH = pKs.
  • Tilsættes der syre eller base, findes de nye stofmængder først med et skema, og så bruges pufferligningen.
  • Er pH under pKs, findes stoffet mest som syre. Er pH over pKs, findes det mest som base.

Prøv selv: Titreringssimulatoren: se fordelingen mellem syreform og baseform.