بافر چیست و محلول های بافری چه انواعی دارند؟

بافر یک محلول مبتنی بر حلال آب است و از یک اسید ضعیف و باز مزدوج آن یا باز ضعیف و اسید مزدوجش تشکیل شده است.

محلول های بافر در برابر تغییر PH ناشی از اضافه شدن کمی اسید یا باز و تغییر غلظت محلول مقاومت می کنند و اسیدیته محلول را در محدوده مشخصی ثابت نگه می دارند.

حتی اسید و باز های قوی نیز تأثیر بسیار ناچیزی بر PH محلول های بافری می گذارند و همین قابلیت مهم و ارزشمند باعث شده تا این محلول ها در زمینه های مختلفی چون تهیه نگهدارنده های غذایی، مواد شوینده، فرآورده های آرایشی و بهداشتی، چرم، رنگ و… کاربرد های زیادی داشته باشند. از جمله رایج ترین بافر های مورد استفاده در دنیای زیست شناسی می توان به تی‌ای‌پی‌اس، بیسین، Tris، Tricine، تپسو و… اشاره نمود.

تا به اینجا با مفهوم کلی بافر و محلول های بافری آشنا شدید، در ادامه قصد داریم تا شما را با انواع بافر، شیوه تهیه آن ها و همچنین کاربرد این محلول ها آشنا کنیم؛ تا انتها با نشریه جهان شیمی فیزیک همراه بمانید.

معرفی انواع محلول های بافری

به طور کلی بافر ها در دو دسته کلی بافرهای اسیدی و بازی طبقه بندی می شوند. در ادامه ویژگی های هر یک از این بافرها و تفاوتشان با یکدیگر را بررسی خواهیم کرد:

بافرهای اسیدی: همانطور که از نام این بافر ها نیز مشخص است، از آن ها برای حفظ PH محلول های اسیدی استفاده می شود. این بافرها دارای PH  اسیدی و کمتر از ۷ هستند و از ترکیب یک اسید ضعیف به همراه نمک مشتق شده خود از یک باز قوی بدست می آیند. برای مثال، یک محلول بافری تشکیل شده از غلظت های برابری از اسید استیک و استات سدیم، دارای PH معادل ۴.۷۴ می باشد.

بافرهای بازی: همانطور که انتظار می رود، از بافرهای بازی برای حفظ و پایداری PH محلول های بازی استفاده می شود. این محلول ها دارای PH قلیایی و بالاتر از ۷ هستند و از ترکیب یک باز ضعیف به همراه نمک مشتق شده شان از یک اسید قوی تشکیل می شود. از جمله محلول های بافری بازی می توان به محلول آبی هیدروکسید آمونیوم و کلرید آمونیوم اشاره کرد که دارای PH برابر ۹.۲۵ می باشد.

مفهوم ظرفیت بافر چیست

به طور کلی توانایی یک محلول برای مقاومت در برابر تغییرات PH را ظرفیت یک بافر می گویند. هنگامی که یک اسید یا باز به محلول بافری اضافه می شود، تغییر میزان PH می تواند کم یا زیاد باشد که این موضوع به PH اولیه محلول و همچنین ظرفیت بافر بستگی دارد.

ظرفیت بافر که با علامت β نیز نمایش داده می شود، به صورت تعداد مول های اسید یا باز مورد نیاز برای تغییر PH محلول به ۱، تقسیم بر میزان تغییر PH ضرب در حجم بافر بر حسب لیتر تعریف می شود. ظرفیت بافر کمیتی بدون واحد می باشد.

آشنایی با مکانیسم عمل محلول های بافری

به طور کلی بافرها مقاومت بالای خود در برابر تغییرات PH را از تعادل بین اسید ضعیف و باز مزدوج خود بدست می آورند؛ البته این تعادل در بافرهای بازی متفاوت می باشد.

در یک بافر اسیدی، وقتی اسید قوی به یک مخلوط تعادلی از اسید ضعیف و باز مزدوج آن اضافه می شود، میزان +H افزایش یافته و طبق اصل لوشاتلیه تعادل به سمت چپ بر می گردد تا میزان ⁺H اضافی موجود در محیط کاهش یابد. علت برگشت تعادل به سمت چپ، تمایل واکنش باز مزدوج با یونهای +H می باشد که این امر در نهایت منجر به تشکیل دوباره اسید می شود. به همین دلیل با افزایش اسید به یک بافر، غلظت یون هیدروژن مطابق انتظار ما بالا نرفته و کمتر از حد معمول خواهد بود.

–CH_۳COOH ⇌ H⁺ + CH_۳COO

به همین ترتیب اگر مقداری از یک باز قوی را به بافر اسیدی اضافه کنیم، غلظت یون هیدروژن بسیار کمتر از حد انتظار کاهش خواهد یافت. علت این امر نیز انجام واکنش تعادلی میان یون هیدروژن و هیدروکسید حاصل از باز اضافه شده می باشد که منجر به تشکیل آب می گردد.

OH^– + H⁺ ⇌ H_۲O

در بافرهای بازی نیز این مکانیسم به طور مشابهی بر روی میزان غلظت یوند ^–OH رخ می دهد. به این معنی که با اضافه کردن مقداری باز قوی به یک بافر بازی، یون هیدروکسید تولید شده در محیط افزایش می یابد، اما با توجه به اصل لوشاتلیه تعادل به سمت چپ باز می گردد. علت این امر واکنش بین اسید مزدوج با یونهای هیدروکسید اضافه ای است که ما به تعادل وارد کرده ایم. در طی این واکنش دوباره باز ضعیف محلول بافری تشکیل شده و به این ترتیب یون^–OH اضافه شده مصرف شده و کاهش می یابد.

–NH_۳– ⇌ NH⁺_۴  + OH

چگونگی تهیه محلول های بافری

برای تهیه محلول های بافری راه های مختلفی وجود دارد که کمک می کنند بتوانیم به محلول هایی با PH دقیق مورد نظرمان دست یابیم. در ادامه روشی برای تهیه محلول بافری را توضیح خواهیم داد که یکی از رایج ترین و ساده ترین روش های موجود می باشد.

در این روش، برای دستیابی به یک مخلوط از اسید و باز مزدوج باید ابتدا اسید مورد نظر را در ۶۰ درصد آب نسبت به حجم محلول بافر دلخواهمان حل کنید. پس از این مرحله، اسیدیته محلول بدست آمده را با PH متر اندازه گیری کنید. برای بالا بردن PH محلول تا حد مورد نظرتان می توانید از یک باز قوی چون هیدروکسید سدیم استفاده کنید. در صورتی که بافر شما از نوع بازی است، می توانید برای رسیدن به PH دلخواهتان یک اسید قوی همچون اسید کلریدریک را به کار گیرید. پس از آن که به اسیدیته مورد نظر خود دست یافتید می توانید محلول را تا حد لازم رقیق کرده تا به غلظت دلخواه خود دست یابید.

یکی دیگر از روش های موجود برای تهیه محلول های بافری استفاده از معادله هندرسون-هاسلباخ است که مقدار دقیق اسید و باز مزدوج مورد نیازتان را مشخص می کند.

آشنایی با کاربرد محلول های بافری

PH محلول های حاوی بافر صرف نظر از اجزای حاضر در مخلوط، در محدوده بسیار ناچیزی متغیر است و در سیستم های بیولوژیکی این مشخصه یک شرط اساسی برای عملکرد درست آنزیم های بدن انسان و سایر موجودات زنده می باشد.

برای مثال نقش بیولوژیکی محلول های بافر می توان به خون اشاره کرد. کاهش یا افزایش PH خون نسبت به حد عادی و مشخص آن می تواند باعث مرگ انسان گردد. در خون ما مخلوطی از اسید کربنیک و یون بی کربنات وجود دارد که این دو ترکیب نام برده شده با یکدیگر در تعادل هستند.

در طی متابولیسم سلولی دی اکسید کربن و در نهایت اسید کربنیک تولید می شود و اسید کربنیک نیز طی یک واکنش تعادلی با یون های بی کربنات و هیدروژن در تعادل می باشد. اگر میزان PH خون پایین بیاید، کارایی آنزیم های بدن نیز کاهش می یابد؛ وجود تعادل ذکر شده باعث می شود تا میزان اسیدیته خود همیشه در محدوده ۷.۳۵ تا ۷.۴۵ باقی بماند.

از جمله کاربرد های محلول های بافری در صنعت می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تخمیر و تهیه الکل
• تولید مواد شوینده
• ساخت فرآورده های بهداشتی چون انواع شامپو و مواد آرایشی
• صنعت چرم
• تهیه مواد نگهدارنده مورد نیاز در صنایع غذایی
• صنعت چاپ و رنگ
• چرم سازی

خواص محلول بافر

محلول بافر نوع منحصر به فردی از محلول است که تا حد زیادی سطح pH خود را حتی زمانی که مقادیر کمی از اسید یا باز وارد می شو،د حفظ می کند. راه دیگر برای تعریف بافر این است که بگوییم امحلولی با اسیدیته یا قلیاییت ذخیره است که می تواند به طور موثر در برابر تغییر pH با اضافه شدن مقدار کمی اسید یا قلیایی مقاومت کند.

بافرها در بسیاری از واکنش های شیمیایی که نیاز به pH ثابت دارند ضروری هستند. آنها همچنین در طبیعت یافت می شوند و pH را در سیستم هایی مانند خون و اقیانوس ها تنظیم می کنند. این خاصیت در سیستم‌های مختلف شیمیایی و بیولوژیکی که به محیطی با pH پایدار نیاز دارند، حیاتی است.

اگر محلول رقیق شود، نسبت ثابت می ماند و بنابراین pH محلول تغییر نمی کند. اگر مقدار کمی اسید قوی اضافه شود، با [A-] ترکیب می شود و HA تولید می کند بنابراین، تغییر در نسبت [A-]/ [HA] اندک است و بنابراین تغییر در pH اندک است.

اگر مقدار کمی از باز  قوی اضافه شود، با بخشی از HA ترکیب می شود و مقدار معادل را تشکیل می دهد بنابراین، دوباره تغییر نسبت کوچک خواهد بود.

برخی از بافرهای رایج در محدوده متوسط عبارتند از استات، فسفات، کربنات، بورات، سیترات و غیره. محلول های بافر در سنجش های کمی مختلف استفاده می شوند. آنها در پیشرفت مناسب واکنش با کنترل pH، در فرآیندهای بارش، در واکنش های تشکیل پیچیده و همچنین در تشخیص نقاط پایانی در برخی از تیتراسیون ها استفاده می شوند. ویژگی های محلول های بافر عبارتند از:

• محلول بافر دارای pH خاصی است.
• pH محلول بافر در طول زمان ثابت می ماند.
• pH محلول بافر حتی در صورت رقیق شدن نیز تغییر نمی کند.
• هنگامی که مقدار کمی اسید یا باز اضافه می شود، pH محلول بافر فقط اندکی تغییر می کند.