สารละลายบัฟเฟอร์

สารละลายบัฟเฟอร์

สารละลายบัฟเฟอร์ (Buffer solution)

            สารละลายบัฟเฟอร์  หมายถึง  สารละลายที่มีความสามารถในการควบคุมระดับ pH เอาไว้ได้  เมื่อเติมสารละลายกรดหรือเบสจำนวนที่ไม่มากเกินไป  เมื่อเปรียบเทียบกับน้ำบริสุทธิ์ที่เติมกรดหรือเบสจำนวนเท่ากัน  สารละลายที่มีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์จะควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ดีกว่าน้ำกลั่น  สารละลายบัฟเฟอร์เกิดจากการผสมระหว่างสารละลายกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อนนั้น  หรือสารละลายเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อนนั้น  แม้ว่าสารละลายบัฟเฟอร์จะควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ดีกว่าน้ำกลั่น  แต่ถ้าเติมกรดหรือเบสมากเกินไป  สารละลายบัฟเฟอร์ก็จะไม่สามารถควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ตลอด
ในที่สุดจะเสียสมบัติในการเป็นสารละลายบัฟเฟอร์ไป  เราเรียกความสามารถในการควบคุมระดับ  pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ว่า  buffer capacity

 สารละลายบัฟเฟอร์มี 2 ประเภท

         1)  บัฟเฟอร์กรด   (Acid buffer solution)      เกิดจากสารละลายของกรดอ่อนผสมกับสารละลายเกลือของกรดอ่อนชนิดนั้น  สารละลายบัฟเฟอร์ประเภทนี้มี   pH < 7    เช่น
              CH₃COOH (กรดอ่อน)  +  CH₃COONa (เกลือของกรดอ่อน)
              HCN (กรดอ่อน)   +  KCN (เกลือของกรดอ่อน)
              H₂S(กรดอ่อน)    +  Na₂S  (เกลือของกรดอ่อน)
              H₂CO₃(กรดอ่อน)    +  NaHCO₃ (เกลือของกรดอ่อน)

         2)  บัฟเฟอร์เบส  (Basic buffer solution)  เกิดจากสารละลายของเบสอ่อนผสมกับสารละลายเกลือของเบสอ่อนนั้น  สารละลายบัฟเฟอร์แบบนี้ มี pH  >  7    เช่น
              NH₃ (เบสอ่อน)  +  NH₄Cl (เกลือของเบสอ่อน)
              NH₃ (เบสอ่อน)    +  NH₄NO₃ (เกลือของเบสอ่อน)
              Fe(OH)₂ (เบสอ่อน)    +  FeCl₂ (เกลือของเบสอ่อน)
              Fe(OH)₃ (เบสอ่อน)    +  FeCl₃ (เกลือของเบสอ่อน)

 วิธีเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์

              1.  เตรียมโดยตรงจากการผสมสารละลายของกรดอ่อนกับสารละลายเกลือของกรดอ่อนนั้น  หรือผสมสารละลายของเบสอ่อนกับสารละลายเกลือของเบสอ่อนนั้น  ดังรูป
 

          2.  เตรียมจากปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส
               2.1  บัฟเฟอร์กรด  เตรียมโดยใช้สารละลสยของกรดอ่อนที่มากเกินพอ ทำปฏิกิริยากับเบส (แก่หรืออ่อนก็ได้  แต่ต้องมีจำนวนน้อยกว่ากรดอ่อนจนถูกใช้หมด)  เช่น 

                                                                                    HF_(aq)        +       NaOH_(aq)    ↔    NaF_(aq)  +  H₂O_(l) 
                                                                            (กรดอ่อนมากเกินพอ)       (หมด)       (เกลือของกรดอ่อนที่เกิดขึ้น)
                                                                                   (มีเหลือ)

                 ถ้าใช้ HF มากเกินพอจะมี  HF  เหลืออยู่  เมื่อเกิดปฏิกิริยาจนสมบูรณ์แล้ว  NaOH  จะหมดไป  ในระบบจะเป็นสารละลายผสมระหว่างHF  ส่วนที่เหลือ  กับ NaF  ที่เกิดขึ้น  
          จึงเป็นบัฟเฟอร์กรด  (กรดอ่อน+เกลือของกรดอ่อนนั้น)  ดังรูป

 

                        2.2   บัฟเฟอร์เบส  เตรียมโดยใช้สารละลายเบสอ่อนที่มากเกินพอ  ทำปฎิกิริยากับสารละลายกรดกรด  (แก่หรืออ่อนก็ได้  แต่ต้องมีจำนวนน้อยกว่าเบสอ่อนจนถูกใช้หมด)  เช่น

                                                                                         HCl_(aq)  +   NH₄OH_(aq)   →   NH₄Cl_(aq)  +    H₂O_(l)  
                                                                                        (หมด)       (มากเกินพอ)           (เกิดขึ้น)
                                                                                                           มีเหลือ

       เมื่อเกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์แล้ว  HCl  จะหมดไปแต่ NH₄OH ยังมีเหลือ ฉะนั้นในระบบจะเป็นสารละลายผสมระหว่าง NH₄OH  สว่นที่เหลือ กับ  NH₄Cl ที่เกิดขึ้น จึงเป็นสารละลายบัฟเฟอร์เบส  (เบสอ่อน + เกลือของเบสอ่อนนั้น)

 การควบคุมค่า pH  ของสารละลายบัฟเฟอร์ 

                ส่วนประกอบของสารละลายบัฟเฟอร์ จะแตกต่างจากสารละลายของกรดอ่อนหรือเบสอ่อน   คือ  ในสารละลายกรดอ่อนจะมีอนุภาคของกรดอ่อนละลายอยู่มาก  แต่อนุภาคของคู่เบสมีน้อย  เช่น   

                แต่เมื่อผสมสารละลายเกลือของ  CH₃COOH  เช่น  CH₃COONa  ซึ่งเป็นสารไอออนิกที่ละลายน้ำได้ดี  แตกตัวเป็นไอออนได้ทั้งหมด  จึงมี  CH₃COO^-  อยู่เป็นจำนวนมาก  ดังนี้

                เมื่อนำมาผสมกันจะมีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์  ให้สังเกตว่าในสารละลายจะมีกรดอ่อนและคูเบสของกรดอ่อนเป็นจำนวนมากทั้งคู่  ดังสมการ

             การที่ในสารละลายมี กรดอ่อนและคู่เบสของกรดอ่อนนั้นอยู่เป็นจำนวนมาก  ทำให้สามารถควบคุมระดับความเป็นกรด-เบสของสารละลายเอาไว้ได้จึงมีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์  เพราะ  ...

                -  เมื่อเติมกรด (H⁺) กรดหรือ  H⁺  ที่เติมลงไปก็จะรวมตัวกับ  CH₃COO^-  เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเปลี่ยนให้อยู่ในรูป  CH₃COOH ได้เกือบทั้งหมด  ทำให้ความเข้มข้น  H⁺  เพิ่มขึ้นน้อยกว่า
       จำนวนที่เติมลงไปจริง  pH  จึงแปลี่ยนแปลงน้อยกว่าปริมาณของ H⁺  ที่เติมลงไปจริง 
                                                                                   (คลิ้ก  ฃมการควบคุม  pH  ของสารละลายบัฟเฟอร์กรด)

                -   เมื่อเติมเบส (OH^-) เบสหรือ  OH^-  ที่เติมลงไปก็จะรวมตัวกับ  H⁺  เปลี่ยนให้มาอยู่ในรูป  H₂O ทำให้  H⁺  ลดลงในตอนแรก  แต่ในเวลาเดียวกัน  CH₃COOH  ซึ่งมีอยู่มาก
       (สังเกตทางซ้ายของสมการ)ก็จะเกิดการแตกตัวให้ H⁺ มาทดแทนได้เกือบทั้งหมด  ทำให้ปริมาณของ H⁺ จึงลดลงน้อยกว่าปริมาณของ OH^-  ที่เติม  pH  จึงเปลี่ยนแปลงน้อยกว่าปริมาณของ OH^- 
       ที่เติมลงไปจริง  

                สำหรับสารละลายบัฟเฟอร์เบสก็จะมีลักษณะเช่นเดียวกัน  คือเบสอ่อนแตกตัวได้น้อย  เช่น  การละลายของ  NH₄OH  ดังสมการ  ;  
         แต่สำหรับเกลือของเบสชนิดนี้  เช่น  NH₄Cl  จะละลายน้ำได้ดี  ดังสมการ
    เมื่อผสมสารละลายของเบสอ่อนกับสารละลายเกลือของเบสอ่อนเข้าด้วยกัน  ในสารละลายที่ได้จากการผสมก็จะมีมากทั้งตัวของเบสอ่อนลัคู่กรดของมัน  จึงมีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์  ดังสมการ   
              

                                                                                       (คลิ้ก  ชมการควบคุม  pH  ของสารละลายบัฟเฟอร์เบส)
                                                                          (คลิ้ก  ชมการควบคุม  pH  ของสารละลายบัฟเฟอร์กรดเมื่อเติมเบสหรือเบส)

     การหา pH ของสารละลายบัฟเฟอร์                1.  สารละลายบัฟเฟอร์กรดหา pH จากสมการ

     ตัวอย่าง สารละลายบัฟเฟอร์ประกอบด้วย สารละลายกรดอะซิติกกับสารละลายโซเดียมอะซิเตต  ซึ่งเข้มข้น 0.1 โมล/ลิตรเท่ากันและมีปริมาตร  100  cm³ เท่ากันด้วย  ถ้า  Ka  ของกรดอะซิติกเท่ากับ  
                  1.8 x  10^-5  จงหา pH ของสารละลายบัปเฟอร์นี้

     วิธีทำ    

  

                                        =  -log 1.8 x 10^-5 + log (0.1 / 0.1 )
                                        =   5 – log 1.8 + log 1

                                        =   5 – 0.26

                                        =   4.24

            2. สารละลายบัฟเฟอร์เบส  หา pH ได้ดังนี้

จากนั้นจึงหา  pH  จากสมการ

                                pH    =  14 – pOH

     ตัวอย่าง   สารละลายบัฟเฟอร์ที่เกิดจากผสมสารละลายเบสอ่อน  NH₄OH  และเกลือ NH₄Cl  ซึ่งมีความเข้มข้น  0.1  โมล/ลิตรเท่ากัน และมีปริมาตร 100cm³  เท่ากันด้วย  ถ้า  Kb ของ NH₄OH 
                   เท่ากับ  1.8 x  10^-5   สารละลายบัฟเฟอร์นี้มี pH เท่าไร

                                                = - log  1.8 x 10^-5 +  log (0.1 / 0.1 )

                                                =  5 – log 1.8  +log 1

                                                =  5 – 0.26

                                                =  4.74

                                pH          =   14 – pOH

                                                =   14 – 4.74

                                                =  9.26

     การเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์                สารละลายบัฟเฟอร์เป็นสารละลายที่มีราคาแพง  ใช้ในงานเฉพาะแต่ละด้าน  เช่น  ในการปรับเพื่อตั้งค่าให้ถูกต้องของเครื่องมือวิทยาศาสตร์บางชนิด    สารละลายบัฟเฟอร์สำหรับการตั้งค่า 
     pH  meter  ราคา  690  บาท / 500  ml

                สารละลายบัฟเฟอร์จะมีค่า  pH  ต่าง ๆ กัน  การเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์ให้มี  pH  ตามที่ต้องการให้ดูจากค่า  pKa  ของกรดอ่อน  เช่น  ถ้ากรดอ่น  HA  มีค่า  Ka = 1.0 x 10^-6  ค่า  pKa  =  6           กรดอ่อนชนิดนี้จะเหมาะสำหรับเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์ที่มี  pH=6 

      จากสมการจะเห็นว่า [salt]  และ [acid] จะมีผลต่อ  pH  ของสารละลายบัฟเฟอร์  แต่พบว่าถ้า  [salt] = [acid] สารละลายบัฟเฟอร์จะมีคุณภาพดีที่สุด

                ถ้า [salt] = [acid] ;               
                                                              =  -log  1.0 x 10^-6 + log 1
                                                              =   6

    ถ้า  [salt] = 2เท่าของ [acid] ;              
                                                                                =  -log  1.0 x 10^-6 + log 2
                                                                                =   6.3

   ถ้า  [acid] = 2เท่าของ[salt];                
                                                             =  -log  1.0 x 10^-6 + log 0.5
                                                             =   6 - 0.3

                                                             =  5.7