محلول بافر

معرفی اجمالی محلول بافر:

بافر محلولی است که می‌تواند در اثر افزودن یک ترکیب اسیدی یا بازی نسبت به تغییر pH مقاومت کند. این ماده قادر است مقدار کمی اسید یا باز اضافه شده را خنثی کند و در نتیجه pH محلول را نسبتاً پایدار نگه دارد. بافر برای فرآیندها و یا واکنش‌هایی که به محدوده های pH خاص و پایدار نیاز دارند مهم است.

Buffer برای فرآیندها و یا واکنش‌هایی که به محدوده های pH خاص و پایدار نیاز دارند مهم است. محلول های بافر دارای یک محدوده و ظرفیت عملکردی PH هستند که حکایت از این دارد که چه مقدار اسید / باز را می توان قبل از تغییر pH خنثی کرد و مقدار تغییر آن را تغییر داد.

مواد تشکیل دهنده محلول بافر:

برای حفظ موثر محدوده pH، بافر باید از یک جفت اسید-باز مزدوج ضعیف تشکیل شود، به معنای یک اسید ضعیف و پایه مزدوج آن، یا پایه باز ضعیف و اسید مزدوج آن. محدوده استفاده از آن به سادگی به pH مورد نظر در هنگام تهیه محلول بافر بستگی خواهد داشت. به عنوان مثال، موارد زیر می توانند هنگامی که در محلول هستند، به عنوان Buffer عمل کنند:

1. اسید استیک اسید آلی ضعیف با فرمول CH₃COOH و نمکی حاوی باز مزدوج آن، آنیون استاتCH₃COO^– ، مانند استات سدیم CH₃COONa  
2. پیریدین (باز ضعیف با فرمول C₅H₅N  و نمکی حاوی اسید مزدوج آن، کاتیون پیریدینیوم C₅H₅NH⁺ ، مانند کلرید پیریدینیم.
3. آمونیاک (باز ضعیف با فرمول NH₃  و نمکی حاوی اسید مزدوج آن، کاتیون آمونیوم، مانند هیدروکسید آمونیوم NH₄OH.

ظرفیت بافر:

میزان مقاومت محلول‌های بافر در برابر تغییرات pH با یکدیگر متفاوت است. از این رو، برای بیان میزان توانایی هر کدام از این محلول‌ها در حفظ خاصیت اسیدی یا قلیایی مواد، از مفهوم «ظرفیت بافر» استفاده می‌شود.

ظرفیت بافر را با نماد β نمایش میدهند.

به علاوه، با رسم منحنی تیتراسیون برای هر محلول بافر، می‌توان قدرت ان در حفظ ثبات pH را نشان داد.

انواع محلول‌های بافر

بافرها به طور کلی، به دو دسته ی بازی و اسیدی طبقه بندی میشوند. در ادامه با این دو نوع محلول بافر و خصوصیات آنها بیشتر آشنا میشویم.

بافرهای اسیدی: pH این نوع محلول‌ها کمتر از ۷ می‌باشد و خاصیت اسیدی دارند. بافرهای اسیدی، در نتیجه‌ی مخلوط شدن یک اسید ضعیف با نمک حاصل از واکنش آن‌ها با یک باز قوی، به دست می‌آیند به طور مثال استیک اسید و سدیم استات از این دسته می باشند. بافر اسیدی برای حفظ میزان pH محلول‌های اسیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بافرهای بازی: این محلول‌ها نیز از خاصیت قلیایی برخوردارند و pH آن‌ها بیش‌تر از ۷ می‌باشد. یک بافر بازی در نتیجه‌ی مخلوط شدن یک باز ضعیف با نمک به دست آمده از واکنش آن با اسیدی قوی، تولید می‌شود. از این نوع محلول‌ها برای ثابت نگه‌ داشتن ‌pH مواد قلیایی استفاده می‌شوند. کلرید آمونیوم از دسته بافر های بازی می باشد.

نحوه ی عملکرد بافرها:

از انجایی که در محلول‌های بافر، اسید و باز به طور همزمان حضور دارند، در صورت افزودن یون‌های هیدروژن یا هیدروکسید به آن‌ها، به ترتیب توسط عامل بازی یا اسیدی موجود در محلول خنثی می‌شوند و نمی‌توانند میزان pH را تغییر دهند.

به عنوان مثال، هنگامی که مقداری اسید به یک بافر اسیدی افزوده می‌شود، یون‌های هیدروژن حاصل از آن با باز مزدوج حاضر در محلول واکنش می‌دهند و در نتیجه‌ مقدار آنها به شدت کاهش یافته و میزان اسیدیته‌ی محلول تغییر نخواهد کرد.

از سوی دیگر، اگر مقداری باز به محلول مورد نظر افزوده شود، هیدروکسید حاصل از آن، با یون‌های هیدروژن موجود در محلول واکنش داده و سبب تشکیل آب می‌شود. در نتیجه، باز هم میزان pH محلول تغییر چندانی نخواهد کرد.

در بافرهای بازی نیز این مکانیسم به شیوه‌ی مشابهی اتفاق می‌افتد. با افزودن مقداری باز به محلول بافر بازی، یون‌های هیدروکسید وارد شده به محلول، با اسید مزدوج واکنش داده و مجددا سبب تشکیل باز ضعیف می‌شوند.

در صورت افزودن اسید نیز، عکس واکنش فوق اتفاق می‌افتد.

کاربرد محلول بافر:

• محلول‌های بافر در صنعت نساجی و رنگرزی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• در صنعت برای انجام فرایندهای تخمیری از محلول‌های بافر استفاده می‌شود.
• بافرها برای محافظت از نمونه‌های زیستی به کار می‌روند.
• برای انجام انواع آزمایش‌های شیمی و زیست‌شناسی مورد نیاز هستند.
• برای کالیبراسیون pH مترها از بافر استفاده میشود.
• انواع گوناگون بافرها در بدن انسان موجود اند که برای انجام فعالیت‌های حیاتی ضروری می‌باشند.
• در فرایند آبکاری از محلول‌های بافر استفاده می‌شود.
• بافرها در صنایع چرم مورد نیاز هستند.
• در ترکیب بسیاری از مواد شوینده و محصولات آرایشی و بهداشتی موجود هستند.
• از آن‌ها به عنوان مواد نگهدارنده استفاده می‌شود.
• از بافرها در صنعت چاپ نیز استفاده می‌شود.
• محلول بافر می‌تواند از میزان سختی آب بکاهد.
• در تهیه‌ی مواد عکاسی به کار می‌روند.