Tampon nedir
Tampon, zayıf bir asit HA ile eşlenik bazı A⁻’nin birlikte bulunduğu bir çözeltidir: sodyum asetatla asetik asit ya da hidrojen fosfatla dihidrojen fosfat. Güçlü bir asit ekle, baz protonları alır (A⁻ + H⁺ → HA); güçlü bir baz ekle, asit onları verir (HA + OH⁻ → A⁻ + H₂O). Her iki durumda da eklenen asit ya da baz, serbest H⁺’ta büyük bir değişim yerine A⁻’nin HA’ya oranında küçük bir kaymayla karşılanır; yani pH neredeyse hiç oynamaz. Kan pH 7,4’te başlıca bikarbonat tamponuyla böyle tutulur ve neredeyse her biyokimya deneyi bir tampon içinde yapılır.
Henderson-Hasselbalch denklemi
pH = pKa + log10([A⁻] ÷ [HA])
- pKa = −log10 Ka; asidin yarı yarıya ayrıştığı pH’tır.
- Eşit miktarda asit ve baz: pH = pKa. On kat fazla baz: pKa + 1. On kat fazla asit: pKa − 1.
- Yalnızca oran göründüğü için bir tamponu seyreltmek pH’ını neredeyse hiç değiştirmez; ama onu zayıflatır.
Çözümlü bir örnek
100 mL asetat tamponunda 5 mmol asetik asit ve 5 mmol sodyum asetat var (toplam 100 mM, pKa 4,76); yani pH = 4,76. 2 mL 1 M HCl, yani 2 mmol H⁺ ekle:
- H⁺, 2 mmol asetatı asetik aside çevirir: asetat 5 − 2 = 3 mmol, asetik asit 5 + 2 = 7 mmol.
- pH = 4,76 + log10(3 ÷ 7) = 4,76 − 0,37 = 4,39.
Aynı 2 mmol 100 mL saf suda 102 mL’de 2 mmol verir, [H⁺] = 0,0196 M, pH = 1,71: tamponun 0,37’sine karşı beş birimden fazla düşüş.
Tampon kapasitesi
Tampon kapasitesi β, pH’ı bir birim değiştirmek için litre başına mol cinsinden ne kadar güçlü asit ya da baz gerektiğidir:
β = 2,303 (Kw ÷ [H⁺] + [H⁺] + CT Ka [H⁺] ÷ (Ka + [H⁺])2)
Tamponun kendisinden gelen son terim, pH = pKa’da tepe yapar ve orada 2,303 × CT ÷ 4 = 0,576 CT’dir. Yani bir tampon pKa’sında en iyi çalışır, ondan yaklaşık 1 birim içinde makul çalışır ve toplam derişimi CT ile orantılıdır: 100 mM, 10 mM’nin on katı kadar direnir. Bir biçim tükendiğinde tamponun verecek bir şeyi kalmaz ve pH, suda olduğu gibi kaçar.
Tampon seçmek
- Asetat, pKa 4,76: pH 3,8 ila 5,8.
- Bikarbonat, pKa 6,35 (CO₂ + H₂O ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ için): çözünmüş CO₂’nin havayla dengede tutulduğu kan ve hücre kültürü besiyerleri.
- Fosfat, pKa 7,20 (ikinci ayrışma): pH 6,2 ila 8,2; fosfat tamponlu tuzlu su.
- Tris, 25 °C’de pKa 8,07: moleküler biyoloji, pH 7 ila 9; pKa’sı °C başına yaklaşık 0,03 düşer, yani oda sıcaklığında hazırlanan bir Tris tamponu soğuk odada yaklaşık 0,6 birim daha baziktir.
- Amonyum/amonyak, pKa 9,25: pH 8,3 ila 10,3.
pKa’sı ihtiyacın olan pH’ın 1 birimi içinde olan, deneyin üreteceği asit ya da baz için yeterli kapasite verecek bir derişimde bulunan ve araya girmeyen birini seç (fosfat kalsiyumu çökeltir; Tris aldehitlerle tepkimeye girer).
Simülasyonu kullanmak
Tampon simülatörü bir tamponu ve aynı hacimde suyu yan yana koyar. Her düğmeye basış ikisine de aynı miktarda 1 M HCl ya da NaOH ekler. Sıvılar evrensel indikatör gibi renklendirilir, tamponun molekülleri maviden (asit biçimi) sarıya (baz biçimi) döner ve kırmızı ya da mor noktalar her 0,1 mM için bir tane olmak üzere serbest H₃O⁺ ya da OH⁻’yi gösterir. Denenecek şeyler:
- Birer mililitre asit ekle ve tamponun pH’ının sürünürken suyunkinin çöktüğünü izle; sonra tamponun baz biçimi tükenene ve onun pH’ı da düşene kadar devam et.
- Derişimi 10 mM’ye düşür: tampon asidin onda biriyle tükenir.
- 100 oranıyla başla (log oran 2): tampon aside iyi direnir ama baza neredeyse hiç direnmez, çünkü zaten neredeyse tamamı bazdır.
- Tampon tükenmeye yaklaşırken Henderson-Hasselbalch tahminini tam pH ile karşılaştır.
Modelin varsayımları
- Derişimler, aktiflikler değil. Gerçek çözeltilerde iyonlar etkileşir; yani etkin derişimleri (aktiflikleri) 0,1 M iyonik şiddette %10 ila 25 daha düşüktür. Ölçülen pKa değerleri iyonik şiddetle kayar; fosfatın pKa’sı tipik tamponlarda yaklaşık 6,8’e düşer.
- Tampon başına tek bir asit-baz çifti. Fosfat yalnızca H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻, bikarbonat yalnızca CO₂/HCO₃⁻ olarak ele alınır; diğer ayrışmaları (fosfat için pKa 2,15 ve 12,35; bikarbonat için 10,3) dışarıda bırakılmıştır.
- Kw = 10−14 ile 25 °C’de kapalı bir beher. Bikarbonatta havaya CO₂ kaçmaz.
- Tam proton dengesi. pH, tampon tükendiğinde dahil her pH’ta geçerli olan CT[H⁺] ÷ ([H⁺] + Ka) + [H⁺] − Kw ÷ [H⁺] = (eklenen proton) ÷ V denkleminden çözülür.
- Eklemeler anında karışır ve hacimlerini ekler; başlangıç hacmi 100 mL’dir ve asit ve baz 1 M’dir.
Sınır durumları
- Tükenmiş tampon: bir biçim bittiğinde Henderson-Hasselbalch sıfırın ya da negatif bir sayının logaritmasını verir ve tanımsızdır; tam çözüm devam eder ve pH’ın fazla güçlü asidi ya da bazı izlediğini gösterir.
- pH 7 yakınında çok seyreltik tamponlar (birkaç mM): suyun kendi H⁺ ve OH⁻’si artık ihmal edilebilir değildir ve basit denklem tam değerden sapar.
- pKa’dan uzak pH: 100 ya da 1/100 oranında tamponun bir yönde kapasitesi azdır ve Henderson-Hasselbalch daha az doğrudur.
- Saf su, milimolar bir eklemede pH’ını yaklaşık 5 birim değiştirir; tamponlanmamış çözeltilerin biyokimyada kullanılamamasının nedeni budur.
Modelin doğru olmaktan çıktığı yerler
- Yüksek iyonik şiddet. Yaklaşık 0,1 M’nin üstünde aktiflik düzeltmeleri (Debye–Hückel, Davies) gerekir ve derişik tamponlar bu modelden bir pH biriminin onda birkaçı kadar sapabilir.
- Sıcaklık. pKa değerleri sıcaklıkla değişir; Tris °C başına yaklaşık −0,03, fosfat çok daha az. Model 25 °C değerlerini kullanır.
- Açık sistemler. Havayla temas eden bikarbonat CO₂ alışverişi yapar: kan pH’ını CO₂’yi dışarı vererek korur ve bu, kapalı beherin gösterdiğinden çok daha güçlü bir etkidir.
- Çok protonlu ve karışık sistemler. Sitrat, tüm aralığı boyunca fosfat ve birçok tamponu olan biyolojik sıvılar her pKa’yı ister; proteinlerin kendisi de yan zincirleriyle tamponlar.
- Gerçek pH ölçerler derişimi değil aktifliği okur ve kalibrasyon gerektirir; her şey doğru olsa bile ölçerdeki sayı hesaplanan bir pH’tan 0,05 ila 0,1 farklı olabilir.
Hesaplayıcılar
Seçtiğin bir pH’ta tampon hazırlamak için Tampon hesaplayıcıyı, asit ve baz çözeltilerinin pH’ını hesaplamak için pH hesaplayıcıyı kullan; tampon bölgesinin eğrinin düz kısmı olduğu tam bir titrasyonu Titrasyon eğrisi simülatöründe gör. pH nasıl hesaplanır güçlü ve zayıf asitleri elle ele alır.