यह कैलकुलेटर क्या करता है
टारगेट pH के लिए बफर अनुपात कैलकुलेटर आपको ठीक-ठीक बताता है कि किसी मनचाहे pH तक पहुँचने के लिए कमज़ोर एसिड (weak acid) के मुकाबले कितना कन्जुगेट बेस चाहिए। यह हेंडरसन-हैसलबाल्क समीकरण को इस तरह पुनर्व्यवस्थित करता है कि किसी टारगेट pH और बफर pKa के आधार पर आपको तुरंत ज़रूरी [base]/[acid] मोल अनुपात के साथ-साथ हर स्पीशीज़ का प्रतिशत भी मिल जाता है। यह सार्वभौमिक रसायन विज्ञान है और हर जगह समान रूप से लागू होता है।
इसका उपयोग कैसे करें
वह pH दर्ज करें जिस पर आप अपना बफर रखना चाहते हैं, और जिस एसिड-बेस कन्जुगेट जोड़ी का आप इस्तेमाल कर रहे हैं उसका pKa डालें (उदाहरण के लिए, एसिटिक एसिड pKa 4.76, फॉस्फेट pKa 7.2, Tris pKa 8.06)। कैलकुलेटर आपको कन्जुगेट बेस-से-एसिड का अनुपात लौटाता है, साथ ही यह भी कि बफर का कितना हिस्सा किस रूप में है। इस अनुपात को अपने एसिड के मोल से गुणा करें ताकि पता चले कि कितने मोल बेस मिलाना है।
फॉर्मूला समझें
हेंडरसन-हैसलबाल्क समीकरण कहता है: \(\text{pH} = \text{pK}_a + \log\frac{[\text{base}]}{[\text{acid}]}\)। अनुपात के लिए हल करने पर मिलता है
$$\frac{[\text{base}]}{[\text{acid}]} = 10^{\,\text{pH} - \text{pK}_a}$$जब pH और pKa बराबर हों, तो अनुपात 1 होता है (यानी 50:50 मिश्रण, जो अधिकतम बफरिंग क्षमता का बिंदु है)। pKa से हर एक pH यूनिट ऊपर जाने पर अनुपात दस गुना बढ़ता है; एक यूनिट नीचे जाने पर यह दस गुना घट जाता है।
हल किया हुआ उदाहरण
pKa 6.1 वाली स्पीशीज़ का उपयोग करके pH 7.4 पर फॉस्फेट बफर तैयार करने के लिए, अनुपात होगा
$$10^{\,7.4 - 6.1} = 10^{1.3} \approx 19.95$$यानी हर 1 भाग एसिड के लिए आपको लगभग 19.95 भाग कन्जुगेट बेस चाहिए — मोटे तौर पर 95.2% बेस और 4.8% एसिड।
सामान्य बफ़र pKa मान
हेंडरसन-हसेलबाल्च समीकरण तब सबसे अच्छी तरह काम करती है जब लक्ष्य pH बफ़र के \(\text{pK}_a\) के लगभग \(\pm 1\) इकाई के भीतर हो, जहाँ संयुग्मी आधार/अम्ल अनुपात लगभग 0.1 और 10 के बीच रहता है। नीचे दी गई तालिका व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले बफ़र के लिए \(\text{pK}_a\) मान (25 °C पर या उसके पास) को उनकी व्यावहारिक बफ़रिंग श्रेणियों के साथ सूचीबद्ध करती है।
| बफ़र | pKa | उपयोगी pH श्रेणी |
|---|---|---|
| साइट्रिक अम्ल (pKa1) | 3.13 | 2.1 – 4.1 |
| एसिटिक अम्ल | 4.76 | 3.8 – 5.8 |
| साइट्रिक अम्ल (pKa2) | 4.76 | 3.8 – 5.8 |
| MES | 6.15 | 5.5 – 6.7 |
| बाइकार्बोनेट (pKa1) | 6.35 | 5.4 – 7.4 |
| साइट्रिक अम्ल (pKa3) | 6.40 | 5.4 – 7.4 |
| फॉस्फेट (pKa2) | 7.20 | 6.2 – 8.2 |
| MOPS | 7.20 | 6.5 – 7.9 |
| HEPES | 7.55 | 6.8 – 8.2 |
| Tris | 8.06 | 7.0 – 9.0 |
| बोरेट | 9.24 | 8.2 – 10.2 |
| ग्लिसिन (pKa2) | 9.60 | 8.6 – 10.6 |
उपयोगी श्रेणी लगभग \(\text{pK}_a \pm 1\) है; इस विंडो के बाहर बफ़र के पास pH परिवर्तन का प्रतिरोध करने की बहुत कम क्षमता है क्योंकि एक प्रजाति प्रभावशाली है।
लक्ष्य pH मानों में आधार-से-अम्ल अनुपात
क्योंकि अनुपात केवल अंतर \(\text{pH}-\text{pK}_a\) पर निर्भर करता है, एक एकल तालिका सभी बफ़र को कवर करती है। प्रत्येक एक pH इकाई का कदम अनुपात को दस के कारक से बदलता है। प्रतिशत दिखाते हैं कि कुल बफ़र का क्या अंश संयुग्मी आधार \(\text{A}^-\) बनाम अम्ल \(\text{HA}\) के रूप में मौजूद है।
| pH − pKa | अनुपात [A−]/[HA] | % आधार (A−) | % अम्ल (HA) |
|---|---|---|---|
| −2.0 | 0.01 | 0.99 % | 99.01 % |
| −1.0 | 0.10 | 9.1 % | 90.9 % |
| −0.5 | 0.316 | 24.0 % | 76.0 % |
| 0.0 | 1.00 | 50.0 % | 50.0 % |
| +0.5 | 3.16 | 76.0 % | 24.0 % |
| +1.0 | 10.0 | 90.9 % | 9.1 % |
| +2.0 | 100 | 99.01 % | 0.99 % |
मध्य बिंदु पर (\(\text{pH}=\text{pK}_a\)) आधार और अम्ल बराबर हैं और बफ़रिंग क्षमता सबसे बड़ी है। \(\pm 1\) इकाई से परे एक रूप बफ़र का 90 % से अधिक बनाता है, इसलिए क्षमता में तेजी से कमी आती है।
अक्सर पूछे जाने वाले सवाल
pH को pKa के एक यूनिट के अंदर ही क्यों रखें? \(\pm 1\) pH यूनिट के बाहर बफर 90% से ज़्यादा किसी एक स्पीशीज़ में बदल जाता है और pH परिवर्तन का ठीक से प्रतिरोध नहीं कर पाता, इसलिए इसकी बफरिंग कमज़ोर पड़ जाती है।
क्या तापमान मायने रखता है? हाँ — pKa के मान तापमान के साथ बदलते हैं (खासकर Tris में), इसलिए अपने कार्य-तापमान (working temperature) वाले pKa का ही इस्तेमाल करें।
अनुपात को मात्रा में कैसे बदलूँ? कुल बफर सांद्रता तय करें, फिर उसे दिखाए गए बेस और एसिड के अंशों के अनुसार बाँट लें।
