محلول بافر یک ترکیب و محلول شیمیایی است. این محلول یا Buffer solution از یک اسید ضعیف و باز مزدوج یا به اصطلاح نمک آن تشکیل می شود. این محلول می تواند از یک باز ضعیف و اسید مزدوج و نمک آن هم تشکیل شود. حلال این محلول آب می باشد. این محلول به عنوان تثبیت کننده پی اچ (پ هاش یا pH) به کار می رود. در این محلول اضافه شدن مقدار جزئی اسید یا باز تغییری در pH ایجاد نمی کند. از مهمترین نوع بیولوژیکی بافر خون است. Tris، Tricine، تی ای پی اس، بیسین، ، تپسو از بافرهای معروف در علم زیست شناسی می باشند.
محلول بافر می تواند در برابر تغییرات pH ایستادگی کند و موجب تثبیت آن شود به این توانایی ظرفیت بافر گفته می شود. به هنگام اضافه کردن اسید یا باز به بافر نسبت تغییرات آن بستگی به pH اولیه محلول و ظرفیت بافر دارد. برای میزان قلیایی یا اسیدی بودن بافر از مقایس تغییرات pH استفاده می شود. اگر pH کوچکتر باشد محلول اسیدی می شود و اگر بزرگتر باشد قلیایی است. pH مقیاسی لگاریتمی است که عکس غلظت یون هیدروژن موجود در بافر را نشان می دهد.
در این مطلب موضوعات زیر را مطالعه خواهید کرد:
انواع محلولهای بافری
محلولهای بافری در دو دسته کلی بافرهای اسیدی و بازی دسته بندی می شوند. بافرهای اسیدی جهت حفظ pH محلولهای اسیدی استفاده می شود. pH این بافرها اسیدی است. یعنی pH کمتر از عدد هفت و از ترکیب یک اسید ضعیف با نمک مشتق و از یک باز قوی درست می شود. ترکیب غلظت برابر اسید استیک و استات سدیم pH معادل 4.74 دارد و یک نمونه از محلول بافر اسیدی می باشد. از بافر بازی نیز جهت حفظ pH محلول بازی استفاده می شود. این نوع محلول از ترکیب یک باز ضعیف و نمک مشتق یک اسید قوی درست می شود. pH این نوع بافر قلیایی یا بازی بوده و بیشتر از عدد هفت می باشد. ترکیب هیدروکسید آمونیوم و کلرید آمونیوم نمونه یک بافر بازی است. این محلول آبی pH معادل 9.25 دارد.
مکانیسم عمل انواع محلول بافر
در محلول بافر اسیدی اضافه شدن یک اسید قوی به محلول اسید ضعیف و باز مزدوج، موجب افزایش میزان یون H+ می شود. بر اساس اصل لوشاتلیه و جهت تعادل با برگشت به سمت چپ موجب کاهش +H می شود . گرایش باز مزدوج بافر به واکنش با یونهای هیدروژن +H علت این امر و برگشت تعادل به سمت چپ است. لذا با در این نوع بافر افزایش اسید غلظت یون هیدروژن را بالاتر نخواهد برد. به محلول بافر اسیدی اگر باز قوی اضافه شود غلظت یون هیدروژن خیلی کمتر از حد معمول کاهش خواهد یافت. زیرا بین یون هیدروژن و هیدروکسید حاصل از باز اضافه شده واکنش تعادلی صورت گرفته و آب تشکیل خواهد شد.
مشابه همین مکانیسم در بافرهای بازی و بر میزان غلظت یون –OH اتفاق می افتد. یعنی اضافه شدن باز قوی به بافر بازی موجب افزایش یون هیدروکسید تولید شده در محیط می شود. طبق اصل لوشاتلیه بازگشت تعادل به سمت چپ می باشد و علت آن واکنش یونهای هیدروکسید اضافه شده به تعادل، با اسید مزدوج محلول بافر بازی است. با این واکنش دوباره باز ضعیف تولید و یون–OH اضافه محلول مصرف و کاهش می یابد.
نحوه تهیه محلول شیمیایی بافر
هرچند روشهای مختلفی جهت تهیه این محلول با pH دقیق و مورد نظر وجود دارد، ما در اینجا یک روش ساده و رایج تهیه این محلول شیمیایی را توضیح خواهیم داد. برای تولید این محلول از اسید و باز مزدوج آن استفاده می کنیم. اسید مورد نظر باید در شصت درصد آب نسبت به حجم کل بافر، حل شود. حال با pH سنج مقدار اسیدیته محلول را اندازه گیری کنید. می توانید از یک باز قوی همچون هیدروکسید سدیم جهت افزایش pH محلول استفاده کنید. توجه داشته باشید که اگراین محلول از نوع قلیایی است باید از اسید قوی همچون اسید کلریدریک استفاده کرد. با رسیدن به اسیدیته مورد نظر می توانید با رقیق کردن محلول به غلظت مورد نظر دست یابید. با استفاده از معادله هندرسون هاسلباخ می توانید مقدار دقیق اسید و باز مزدوج مورد نظر را مشخص و بافر دلخواه را تهیه کنید.
کاربرد بافر
بازه ناچیز تغییرات pH در محلول بافری مشخصه بارز آن می باشد. این مشخصه در سیستم بیولوژیکی نقش مهمی در عملکرد درست آنزیمهای بدن جانداران مخصوصاً انسان، بازی می کند. به طور مثال خون یک نمونه بافر بوده که تغییر pH آن به نسبت عادی موجب مرگ انسان می شود. خون یک محلول آبی و متعادل از اسید کربنیک و یون بی کربنات است. دی اکسید کربن و نهایتاً اسید کربنیک تولید شده در متابولیسم سلولی در واکنش تعادلی با یونهای بی کربنات و هیدروژن متعادل می شود. کاهش pH خون موجب کاهش اثربخشی آنزیمهای بدن می شود. تعادل مذکور سبب باقی ماندن میزان اسیدیته خون در بازه بین 7.35 تا 7.45 می شود.
در صنعت از محلول در تولید شوینده ها، صنعت چرم سازی، ساخت مواد آرایشی و انواع شامپو استفاده می شود. تخمیر و تهیه الکل، چاپ و صنعت رنگ، مواد نگهدارنده محصولات غذایی و غیره از دیگر کاربردهای این محلول شیمیایی در صنعت می باشد. در رنگ آمیزی پارچه و لباس ازاین محلول جهت تعیین شرایط دلخواه رنگهای موجود در پروسه تخمیر استفاده می شود. در آنالیز شیمیایی و کالیبراسیون pH سنجها از این محلول استفاده می گردد.
اهمیت بیولوژیکی این محلول
جهت درک اهمیت این محلول در سیستم بیولوژیکی بدن در ادامه مطلب با ما همراه باشید. هنگام ورزش در عضلات ما اسید لاکتیک تولید می شود. این اسید با ورود به خون و واکنش با یون بی کربنات خنثی و باعث تولید اسید کربنیک می شود. آنزیمی در خون اسید کربنیک را به آب و دی اکسید کربن می شکند و با تنفس خارج می شود. یعنی علاوه بر آنچه در طی مطالب گذشته از خواص بافری خون گفته شد تنفس نیز به تنظیم pH خون کمک می کند. با کاهش زیاد pH خون، افزایش سرعت تنفس دی اکسید کربن را از خون حذف می کند و موجب تعادل pH خون می شود.
اگر خون بیش از حد مجاز قلیایی شود آنگاه بدن با سرعت کم تنفس سبب کاهش دی اکسید کربن در خون می شود. در چنین حالتی واکنش به سمت افزایش یون هیدروژن بیش خواهد رفت. در کل آنزیمها و سلولهای بدن برای داشتن کارایی لازم نیازمند محیط با pH مناسب و معین می باشند. همین امر گویای اهمیت بافرها است.
سوالات متداول محلول بافر چیست
1- دمای مناسب نگهداری بافر چند درجه است؟
بهتر است این محلول شیمیایی در محیطی به دور از نور خورشید و محیط سرد نگهداری شود؛ زیرا هم نور خورشید و هم افزایش دما بر خواص و کارکرد آن تاثیر منفی دارد. بهتر است محیط نگهداری این محلول سرد و تاریک باشد.
2- شرایط نگهداری بافر چگونه است؟
ظرف ایده آل جهت نگهداری توسط سازنده محلول انتخاب می شود و از تعویض آن خودداری نمایید. درب ظرف را کنترل نمایید که کاملا محکم باشد و هوا به داخل ظرف و محلول نفوذ نکند؛ زیرا ممکن است کارایی آن را کاهش دهد.
3- در انتخاب این محلول شیمیایی چه نکاتی را باید در نظر گرفت؟
در انتخاب این محلول به دو نکته باید توجه اساسی داشت. برای pH کمتر از 7 بافر مناسب اسیدهای ضعیف و نمکهایشان است و برعکس برای pH بالاتر از 7 بازهای ضعیف و نمکهایشان می باشد. مهمتر از همه یک بافر خوب از دو جزء تشکیل دهنده اش غلظتهایی مساوی داشته باشد.
4- اگر در یک بافر مقدار یک جزء، از ده درصد جزء دیگر کمتر باشد، کارایی لازم را خواهد داشت؟
خیر در این صورت کارایی این محلول شیمیایی کاهش پیدا می کند.
5- ظرفیت بافر چگونه به دست می آید؟
با تقسیم تعداد مولهای اسید یا باز که موجب تغییر pH محلول به عدد یک می شود، بر نسبت تغییر pH را در حجم بافر بر مبنای لیتر ضرب کنیم عدد به دست آمده ظرفیت بافر را نشان می دهد. علامت ظرفیت بافر β بوده از کمیتهای بدون واحد می باشد.
