B6.7 Puffersystemer
Kernestof på kemi A
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.
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.
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.
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.
| 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 % |
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.
Prøv selv: Titreringssimulatoren: se fordelingen mellem syreform og baseform.