Buffers and Hendersen-Hasselbalch

Дадена ни е някаква слаба киселина.

С А означавам куп неща,
които могат да са тук.

Това може да е флуор,
може да е молекула амоняк.

Ако добавя Н, става амоний.

Тук не говоря за конкретен елемент.

Това е обобщено записване
на киселина.

И нека да е в равновесие...

вече ти е познато, един протон.

И всичко това е във
воден разтвор.

Този протон прескача
между това и спрегнатата основа.

Имаме А–.

Можем да напишем равновесен
израз и за основа, където

спрегнатата основа се дисоциира,
или по същество

присъединява един протон от
водата и се получава ОН–.

Правили сме го много пъти.

Но не това е целта
на днешното видео.

Нека помислим какво ще стане

с равновесието, ако му
повлияем по някакъв начин.

Вече се досещаш, че имам предвид
принципът на Льо Шателие-Браун,

който всъщност казва, че

ако върху една равновесна
система се въздейства, то

тя се променя по такъв начин,
че да компенсира въздействието.

Да кажем, че въздействието върху
системата е...

Ще използвам различен цвят.

Ще прибавя силна основа.

Това е много тъмно.

Ще добавя NaОН.

Знаем, че тя е силна основа
и когато я сложим

във воден разтвор,
тя се дисоциира,

но по-важното е, че имаме

всички тези ОН– в разтвора,
които искат да присъединят протони.

Така че, когато добавиш ОН– към разтвора,
това, което ще се случи, е,

че за всеки добавен мол,
не просто мол,

всяка добавена молекула в
разтвора ще присъедини един водороден йон.

Нали?

Ако към един мол Н+ в разтвора
добавим 1 мол натриев хидроксид,

точно когато го добавим,
всички тези ще реагират с всички тези.

ОН– ще реагират с Н+ и
ще се получи вода,

и те просто ще изчезнат
от разтвора.

Те не изчезват, а просто
се превръщат във вода.

Но всички тези Н+ ще изчезнат.

Или поне тези, които
са били вече тук.

Така ще изчезне един мол Н+.

Какво се случва с тази реакция?

Тя е равновесна реакция.

И когато всички Н+ изчезнат,
понеже това е равновесен процес,

и защото това е слаба киселина,

повече от тези ще се превърнат
в тези два продукта,

за да компенсират намаляването
на Н+.

И даже можеш да си
поиграеш със сметките.

Първоначално тези Н+ намаляват,
но после започва

бързо да се възстановява
равновесието.

Но това ще намалее.

А това ще се увеличи.

И после това ще намалява
по-бавно.

Защото когато добавиш
тук натриев хидроксид,

той просто ще излапа всички Н+.

Но после имаш тези...
можеш да го разглеждаш като

резервен запас, който
произвежда Н+.

И когато тези изчезнат,
тази слаба основа ще се дисоциира повече.

Равновесието ще се
придвижи в тази посока.

Защото това незабавно
ще изконсумира всичко това.

Но после равновесието се измества
в тази посока

и много от Н+ ще бъдат
заместени.

И ако се замислиш какво
се случва, когато просто

добавя натриев хидроксид
във водата.

Ако просто сложа NaOH
във воден разтвор...

тя се дисоциира напълно

до натриеви катиони
и хидроксидни аниони.

Така че веднага се повишава

количеството на ОН– с
броя молове натриев хидроксид,

които сме добавили
и имаме

повишаване на рН, нали?

Запомни.

Когато увеличаваш количеството
на ОН–, това намалява рОН, нали?

Това е така, защото имаме
отрицателен логаритъм.

Ако увеличиш ОН, намаляваш
рОН и увеличаваш рН.

И само помисли за ОН...
това става по-основно.

Високото рН е много основно.

Ако имаш един мол от това,
тогава имаш рН = 14.

А ако имаш силна киселина,
вместо силна основа,

тогава имаш рН = 0.

Надявам се, че това започва
да ти става ясно,

но ако те обърква, тогава
просто си поиграй с

логаритмите и вероятно
ще го схванеш.

Но нека да се върнем на темата,
ако просто имаш това във вода,

тогава веднага ще имаш супер
високо рН, защото

концентрацията на ОН–
отива до небето.

Но ако добавиш тук...
ако добавиш натриев хидроксид

към този разтвор, който
съдържа слаба киселина

и спрегнатата ѝ основа,
слаба киселина и нейната спрегната основа,

какво ще стане?

Тогава тя веднага реагира
с всички Н+ и ги "изяжда" всичките.

И тогава имаш този допълнителен
резерв, който продължава

да осигурява още и още Н+.

И ще компенсира голяма
част от загубата.

Значи стресът не е толкова лош.

И тук рН се увеличава
драматично, когато

добавиш към вода.

Тук рН ще се увеличи много
по-малко.

В някои бъдещи видеа ще изчислим
с колко по-малко

се увеличава рН.

Но можеш да го разглеждаш, че
това е един вид "амортисьор" за рН.

Въпреки че слагаш силна основа
в този разтвор,

рН няма да се увеличи толкова,
колкото очакваш.

Можеш да го направиш
и по другия начин.

Ако напиша тази реакция
като основна реакция...

запомни, че това е същото нещо.

Просто ще запиша това като А–...
записвам спрегнатата основа...
в равновесие със

спрегнатата основа...
в равновесие със спрегнатата основа,

която "прилапва" протон от водата в
околния воден разтвор.

Всичко тук е във
воден разтвор.

И тази вода разбира се
няма да бъде ОН–.

Запомни, че това
са еквивалентни реакции.

Тук го записвам като
киселинна реакция.

Тук го записвам като
основна реакция.

Те са еквивалентни.

Ако добавим силна киселина,
какво ще се случи?

Ако добавя солна киселина
в този разтвор?

Ако добавим солна киселина
към чиста вода, без нищо,

тя ще се дисоциира напълно

до Н+ и Cl–.

И това веднага ще направи
разтвора много киселинен.

Това ще има много ниско рН.

Ако имам един мол от това...
ако концентрацията е 1 мол/л,

тогава тук ще имаме рН = 0.

Но какво ще стане, ако добавим
солна киселина към този разтвор?

Този, който има
тази слаба основа и

тази спрегната слаба киселина?

Всички Н+ ще се дисоциират от

солната киселина и ще реагират
с тези ОН– тук.

И те просто ще се съкратят.

Те просто ще реагират с тези
и ще се превърнат във вода,

ще станат част от
водния разтвор.

Така ОН– ще намалеят първоначално,

но тук имаш резерв от
тази слаба основа.

И според принципа на
Льо Шателие-Браун...

Щом имаме въздействие, което
намалява

конценетрацията на ОН–,
тогава реакцията ще протече

в тази посока, за да
компенсира въздействието.

Значи реакцията ще протече
в тази посока.

Значи по-голямо количество
от слабата основа

ще се превърне в слаба киселина
и ще се получат повече ОН–.

Значи рН няма да се понижи толкова,
колкото ако

добавиш тази киселина в чиста вода.

Първо рН ще се понижи, но после
имаш повече ОН–,

които ще бъдат отделени, когато
това "прилапва" повече Н+ от водата.

Така че можеш да го разглеждаш
като един вид възглавница,

или амортисьорна пружина
по отношение на силна киселина

или силна основа
към този разтвор.

Ето затова се нарича буфер.

Защото регулира киселинността.

Ако добавиш силна основа
към вода, веднага повишаваш рН-то.

Или драматично понижаваш
нейната киселинност.

Но ако добавиш силна киселина
към буфер, поради принципа

на Льо Шателие-Браун, всъщност
не оказваш такова силно влияние върху рН.

По подобен начин,

ако добавиш киселина към същия буфер,
това няма да повлияе

върху рН толкова, колкото
би се очаквало, ако

добавиш тази киселина
към вода, защото равновесната

реакция може винаги да "допълни"
количеството ОН–, което

е загубено след добавянето
на киселината, или можеш да "допълниш"

количеството Н+, което е изгубено,
когато добавяш основа.

Ето затова се нарича буфер.

Осигурява "възглавница".

Осигурява стабилност за
рН-то на разтвора.

Определението за буфер е просто
разтвор на слаба киселина

в равновесие със
спрегнатата си слаба основа.

Ето това е буфер и се нарича
така, защото

осигурява един вид
"амортисьор" за рН.

Компенсира промяната,
като един вид амортисьор

за киселинността на разтвора.

Сега, като обясних това,
хайде да разгледаме математически

един буфер, който просто е
слаба киселина.

Ако препишем отново уравнението,
НА е в равновесие,

всичко е във воден разтвор,

с водорода и спрегнатата основа.

Знаем, че имаме
равновесна константа за този процес.

Имаме много видеа за нея.

Равновесната константа е равна на
концентрацията на

Н+ по концентрацията на
спрегнатата основа.

Когато казвам концентрация,
имам предвид мол/литър,

мол/литър, делено на
концентрацията на слабата киселина.

Сега...

Ще намеря отрицателния десетичен
логаритъм от това.

Нека да намерим
концентрацията на Н+.

Искам да изведа една формула,

и тя се нарича формула на
Хендерсън-Хаселбах, която

в много учебници се иска да я запомниш,
но аз не мисля, че е нужно.

Мисля, че трябва просто да
можеш да я изведеш

от тези основни положения.

Но нека да изразим Н+, така че
да намерим връзката

между рН и всички други
елементи, които са в тази формула.

За да намерим концентрацията на Н+,

можем да умножим двете страни
на равенството по неговото реципрочно.

И получаваме концентрацията
на Н+.

Ка по... умножавам двете страни
по реципрочното на това.

Значи по концентрацията на
слабата ни киселина, делено на

концентрацията на слабата основа
е равно на концентрацията на Н+.

Добре.

Сега да вземем отрицателен
десетичен логаритъм от двете страни.

Значи отрицателен log от всичко това,

от равновесната константа Ка, по НА, слабата киселина, делено на слабата основа,

е равно на отрицателен десетичен логаритъм
от концентрацията на Н+.

Това е просто рН, нали?

Отрицателен десетичен логаритъм от концентрацията на Н+ е

по определение рН.

Ще запиша р и Н в различен цвят.

Това р означава просто
отрицателен десетичен логаритъм.

–log.

Логаритъм с основа 10.

Да видим дали можем
да опростим още малко.

От свойствата на логаритмите

знаем, че когато имаме логаритъм
от произведение,

това е равно на сбора от
логаритмите на множителите.

Значи това може да се опрости
като –log от Ка минус

log от концентрацията
на слабата киселина,

делено на концентрацията
на спрегнатата основа

и е равно на рН.

Това е просто рКа на слабата
киселина, което е просто

отрицателен десетичен
логаритъм от равновесната константа.

Значи това е просто рКа.

И минус log от НА върху А.

Можем да направим това плюс,

а това да представим
като на степен –1.

Нали? Това са просто
свойства на логаритмите.

Виж отново видеата за логаритми,
ако това те обърква.

Да повдигнем на степен –1 означава
просто реципрочното на това.

Можем да кажем плюс логаритъм
от спрегнатата основа,

делено на концентрацията
на слабата киселина,

е равно на рН.

И това се нарича уравнение
на Хендерсън-Хаселбах.

Препоръчвам ти
да не го запомняш.

Ако се опиташ да го запомниш,
само след няколко часа

ще забравиш дали тук е плюс
или минус.

Ще го забравиш,
после ще забравиш

дали А– в числителя и
НА в знаменателя

или обратно, и ако го забравиш,
това е фатално.

Най-добре е да го изведеш
от основното положение.

Повярвай ми, отнема само няколко
минути, но ако го направиш много бързо,

няма нужда да е
така подробно, както аз го направих сега,

ще изведеш формулата
за нула време.

Това е много по-добре, отколкото
да го запомниш и няма да го забравиш,

когато станеш на 30 години.

И защо тази формула е полезна?

Защото тя веднага дава
връзката между рН и рКа,

която е константа, нали?
Равновесна константа.

Плюс log от съотношението
между киселината и спрегнатата основа.

Колкото повече спрегната основа има,
и колкото по-малко киселина има,

толкова по-високо ще бъде рН.

Нали?

рН ще се увеличи.

Което е логично, защото имаш
повече основа в разтвора.

И ако имам обратното на това,
рН ще бъде по-ниско.