بافر یک محلول شیمیایی است که از ترکیب یک اسید ضعیف و نمک آن ( باز مزدوج ) یا یک باز ضعیف و نمک آن ( اسید مزدوج ) ساخته می‌شود. محلول‌های بافر در تغییر پی‌اچ ( pH ) خود مقاومت می‌کنند و توانایی حفظ پی‌اچ راحتی در صورت افزودن اندکی باز یا اسید دارند.
در مورد انواع مواد شیمیایی بیشتر بدانید
بافرها در آزمایش‌ها و سنجش‌ها مختلف شیمیایی و بیولوژیکی که در آن‌ها حفظ یک محیط با پی‌اچ پایدار بسیار مهم است، بسیار پر کاربرد هستند. آن‌ها به جلوگیری از تغییرات سریع و شدید پی‌اچ کمک می‌کنند که در غیر این صورت می‌تواند بر کارایی نتایج واکنش‌های شیمیایی تأثیر بگذارد.
قبل از آموزش ساخت محلول بافر، لازم است با اجزاء، معادله مورد نیاز و ویژگی‌های آن آشنا شوید.
اجزای یک محلول بافر: اسید ضعیف (HA) و باز مزدوج آن (A)
بافرها معمولاً از یک اسید ضعیف و باز مزدوج آن یا یک باز ضعیف و اسید مزدوج آن تشکیل می‌شوند. به طوریی که اسید ضعیف پروتون (یون H+) اهدا می‌کند و باز مزدوج پروتون را می‌پذیرد.
معادله هندرسون- هاسلبالخ (Henderson-Hasselbalch Equation)
بافرها با معادله هندرسون- هاسلبالخ مشخص می‌شوند. این معادله، پی‌اچ محلول بافر را به غلظت اسید ضعیف و باز مزدوج آن مرتبط می‌کند:
pH = pKₐ + log([A⁻]/[HA])
در این معادله، A غلظت باز مزدوج است، [HA] غلظت اسید ضعیف است و pKa ثابت تفکیک اسید ضعیف را نشان می‌دهد.
ویژگی‌های محلول بافر
ویژگی‌های یک محلول بافر شامل موارد زیر است:
مقاومت در برابر تغییرات پی‌اچ
عملکرد اولیه یک محلول بافر، مقاومت در برابر تغییرات پی‌اچ هنگام افزودن اسید یا باز است. این مقاومت نتیجه تعادل بین اسید ضعیف و باز مزدوج آن است.
محدوده بافر موثر
بافرها در محدوده پی‌اچ مشخصی در اطراف pKa خود موثرتر هستند. محدوده بافر موثر معمولاً در 1± واحد pKa است.
ظرفیت خنثی‌سازی
بافرها ظرفیت خنثی‌کردن اسیدها یا بازهای اضافه‌شده را با پذیرش یا اهدای پروتون، بدون تغییرات قابل توجه در پی‌اچ دارند.
بافرهای رایج
برخی از نمونه‌های رایج سیستم‌های بافر شامل اسید استیک و استات، اسید کربنیک و بی‌کربنات و اسید فسفریک و دی هیدروژن فسفات هستند.
روش ساخت محلول بافر
اگر قصد دارید که یک محلول بافر بسازید، فارغ از نوع بافر باید از مراحل زیر گام‌به‌گام و با دقت پیروی کنید تا بافر شما آماده شود.
مواد مورد نیاز برای ساخت محلول بافر
در موارد ذیل به بخشی از مواد مورد نیاز برای تولید و ساخت محلول بافر اشاره می شود :
ترازوی توزین
پی‌اچ متر یا کاغذ پی‌اچ
آب دیونیزه یا مقطر
ظرف برای مخلوط‌کردن (لیوان یا فلاسک)
میله همزن یا همزن مغناطیسی
اجزای بافر (اسید و باز مزدوج یا باز و اسید مزدوج)
مراحل ساخت
مراحل ساخت به شرح زیر هستند:
مرحله اول: پی‌اچ مورد نظر را تعیین کنید
در مورد پی‌اچ هدف محلول بافر خود تصمیم بگیرید. این تصمیم‌گیری به نیازهای خاص آزمایش یا شما بستگی دارد. برای مثال فرض کنید که به پی‌اچی معادل 4.75 نیاز دارید.
مرحله دوم: اجزای بافر را انتخاب کنید
یک اسید ضعیف و باز مزدوج آن یا یک باز ضعیف و اسید مزدوج آن را انتخاب کنید. انتخاب اجزا به این بستگی دارد که شما یک بافر اسیدی یا بازی می‌خواهید. برای مثال می‌توانید اسید استیک را به‌عنوان اسید ضعیف و استات را به‌عنوان باز مزدوج آن انتخاب کنید.
مرحله سوم: محاسبه مقدار اجزاء
از معادله هندرسون- هاسلبالخ برای محاسبه نسبت غلظت اسید ضعیف و باز مزدوج آن (یا باز ضعیف و اسید مزدوج آن) برای دستیابی به پی‌اچ مورد نظر استفاده کنید.
برای مثال اسید استیک دارای pKa حدود 4.76 است. با توجه به این‌که پی‌اچ مورد نظر ما 4.75، است، با قرار‌دادن این دو عدد در معادله هندرسون- هاسلبالخ (که عکس آن را در تصویر بالای صفحه می‌بینید) می‌توانید نسبت استات به اسید استیک را محاسبه کنید.
مرحله چهارم: به دست آوردن میزان گرم هر جزء بافر
بر اساس نسبت به دست آمده و با دانستن حجم نهایی محلول و غلظت آن (mol/L)، با استفاده از فرمول زیر مقدار مول هر ترکیب شیمیایی را به‌دست بیاورید:
Total moles=Total volume (L)×Concentration (mol/L)
سپس مول را بر اساس وزن مولکولی، به گرم تبدیل کنید تا مشخص شود چند گرم از اسید و باز کانجوگه برای آماده‌سازی محلول با غلظت و وزن خاص نیاز دارید.
مرحله پنجم: وزن کردن اسید و باز
اسید ضعیف و باز مزدوج آن (یا باز ضعیف و اسید مزدوج آن) را با استفاده از ترازوی توزین وزن کنید و مقدار مورد نظر را جدا کنید. در این مرحله لازم است از دقت در اندازه گیری‌ها اطمینان حاصل کنید.
مرحله ششم: هر جزء را حل کنید
اجزای وزن‌شده را در ظروف جداگانه با آب دیونیزه یا مقطر حل کنید تا محلول‌های اسید ضعیف و باز مزدوج آن (یا باز ضعیف و اسید مزدوج آن) ایجاد شود.
مرحله هفتم: تنظیم حجم
حجم محلول‌های موجود را تنظیم کنید تا به حجم نهایی مطلوب محلول بافر برسید. این کار معمولاً با رقیق‌کردن محلول‌های موجود با آب اضافی انجام می‌شود.
مرحله هشتم: دو محلول را مخلوط کنید
حجم‌های محاسبه‌شده از محلول‌های جداگانه را به ظرف مخلوط‌کن (بنیکی یا فلاسک) انتقال داده و کاملاً هم بزنید. در صورت لزوم از همزن مغناطیسی برای اختلاط بهتر استفاده کنید.
مرحله نهم: اندازه‌گیری پی‌اچ
پی‌اچ محلول بافر را با استفاده از پی‌اچ متر یا کاغذ پی‌اچ اندازه‌گیری کنید. در صورت لزوم با افزودن مقادیر کمی اسید یا باز ضعیف، پی‌اچ را تنظیم کنید.
مرحله دهم: تنظیمات نهایی
هر‌گونه تنظیمات نهایی را در حجم یا غلظت انجام دهید تا مطمئن شوید که محلول بافر با مشخصات مورد نظر مطابقت دارد.
برای مطالعه : با کاربرد مواد شیمیایی آزمایشگاهی آشنا شو .
نکات ذخیره‌سازی محلول بافر
محلول بافر آماده‌شده را در یک ظرف تمیز و دارای برچسب نگهداری کنید. بافرها معمولاً در دمای اتاق مؤثرتر هستند، اما شرایط نگهداری ممکن است بسته به نیازهای خاص متفاوت باشد.
توجه به این نکته ضروری است که pKa اسید یا باز ضعیف مورد استفاده، باید نزدیک به پی‌اچ هدف باشد تا بافر حین مقاومت در برابر تغییرات پی‌اچ موثرتر باشد. علاوه بر این، توجه دقیق به اندازه‌گیری‌ها و محاسبات برای تهیه محلول بافر با‌کیفیت اهمیت زیادی دارد. حتی تغییر بسیار کم در حجم، غلظت و یا محاسبات می‌تواند سبب تغییرات عمده در نتیجه شود و بافر را به‌طور کامل، غیر قابل استفاده کند.
اطلاع از قیمت مواد شیمیایی آزمایشگاهی می‌تواند مفید باشد
استفاده‌های رایج از بافر در شیمی
در حوزه شیمی تجزیه، بافرها برای حفظ یک محیط پی‌اچ ثابت در طول تیتراسیون، تضمین نتایج دقیق و قابل تکرار، ضروری هستند. علاوه بر این، آن‌ها در آزمایش‌های بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی کاربرد دارند و پی‌اچ پایداری را برای واکنش‌های آنزیمی و هیبریداسیون دی ان ای (DNA) فراهم می‌کنند.
سیستم‌های بیولوژیکی به‌شدت به محلول‌های بافر برای حفظ سطح پی‌اچ فیزیولوژیکی متکی هستند. در بدن انسان، خون حاوی سیستم‌های بافری مانند یون بی‌کربنات است که پی‌اچ را برای پشتیبانی از فرآیندهای ضروری مانند انتقال اکسیژن و فعالیت آنزیم تنظیم می‌کند.
محلول‌ها همچنین در داروسازی بسیار مهم هستند؛ جایی که کنترل دقیق پی‌اچ برای فرمولاسیون و پایداری دارو ضروری است.
کاربردهای صنعتی شامل ساخت مواد شیمیایی، محصولات غذایی و لوازم آرایشی است که شرایط پی‌اچ ثابت برای کنترل کیفیت، حیاتی است.
کلام آخر
محلول‌های بافر در فرآیندهای آزمایشگاهی مختلف نقش محوری دارند و اهمیت و کابرد آن‌ها مربوط به مقاومت پی‌اچشان هنگام افزودن اسیدها یا بازها است. این امر در بسیاری از زمینه‌ها نظیر شیمی، زیست شناسی، طب و صنعت کاربرد دارد. در این مطلب تلاش کردیم ضمن معرفی اجزاء و ویژگی‌های آن، شیوه ساخت و کاربردهایش را نیز بیان کنیم.