محلول بافر یا Buffer Solution به محلولی گفته میشود که در برابر تغییرات میزان pH به خوبی مقاومت میکند. به این صورت که حتی با افزودن مقداری اسید یا باز به محلول اصلی، از تغییرات pH آن جلوگیری مینماید. به همین علت است که در صنایع گوناگون، به طور گسترده از محلول‌های بافر برای ثابت نگه داشتن میزان خاصیت اسیدی یا قلیایی محصولات استفاده میشود.
از مشهورترین محلول‌های بافر میتوان به پروتئین و خون در بدن انسان اشاره کرد.
ظرفیت بافر چیست
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.
محدوده‌ی بافری
محدوده‌ی بافری بازه‌ای از میزان pH را به ما نشان می‌دهد که در صورت افزودن باز یا اسید قوی، محلول بافر از آن تجاوز نخواهد شد.
آشنایی با مفاهبم اسید مزدوج و باز مزدوج
برای فهم ادامه‌ی مطلب لازم است تا با دو اصطلاح اسید مزدوج و باز مزدوج آشنا شویم. ولی قبل از آن توصیه میکنم مطلب اسید چیست را مطالعه کنید.
بر اساس نظریه ی دو دانشمند به نام‌های برونستد و لوری، هنگامی که یک اسید و یک باز با یکدیگر واکنش میدهند، اسید و باز مزدوج خود را تولید میکنند. در واقع، طی این واکنش، اسید یک پروتون از دست می‌دهد و به باز مزدوج خود تبدیل میشود. باز نیز پروتون دریافت کرده و به اسید مزدوج خود تبدیل خواهد شد. این واکنش می‌تواند به صورت رفت و برگشت انجام شود.
جالب است بدانید که اسید، باز مزدوج خود را خنثی نمی‌کند و باز نیز سبب خنثی شدن اسید مزدوج خود نخواهد شد. در نتیجه، هر دوی این‌ها می‌توانند به طور همزمان در یک محلول موجود باشند.
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.
طرز تهیه‌ی محلول بافر
به طور کلی محلول‌های بافر در نتیجه‌ی مخلوط کردن مقداری اسید ضعیف با باز مزدوج آن یا برعکس، از طریق افزودن مقداری باز ضعیف به اسید مزدوج آن، به دست می‌آیند. این دو ماده، بدون ان که یکدیگر را خنثی نمایند، در محلول نهایی باقی می‌مانند و مانع از تغییر میزان اسیدیته‌ی آن خواهند شد.
در این راستا، دو روش برای تهیه‌ی این دست محلول‌ها موجود می‌باشند.
روش اول: در ابتدا مقدار pH محلول نهایی و نوع آن را مشخص کنید. در صورتی که قصد دارید یک محلول بافر اسیدی تولید کنید، ابتدا میزان مشخصی از اسید را در آب حل کنید. توجه داشته باشید که میزان حجم آب باید ۶۰ درصد حجم محلول نهایی مورد نظر شما باشد. سپس میزان pH محلول به دست آمده را اندازه گیری کنید و برای رساندن آن به PH مطلوب، یک ماده‌ی قلیایی قوی را به آن اضافه کنید.
در صورتی که قصد دارید محلولی بافر از نوع بازی تولید نمایید، مانند دستورالعمل مذکور ماده‌ی قلیایی مورد نظرتان را به آب بی‌افزایید و پس از آن برای تغییر میزان pH محلول و رساندن آن به حد مطلوب، از یک نوع اسید قوی استفاده نمایید.
پس از انجام این عمل می‌توانید با رقیق کردن محلول حاصل، آن را به غلظت مورد نظر خود برسانید.
روش دوم: در این روش، ابتدا محلول را در دو شکل بازی و اسیدی آن تهیه می‌کنیم. توجه داشته باید که غلظت بافر در هر دوی آنها برابر باشد. سپس به طور تدریجی و با برسی مداوم تغییرات pH آن دو محلول را با یکدیگر ترکیب می‌نماییم.
روش سوم: در این شیوه، با استفاده از معادله‌ی هندرسون_هاسل باخ و در نظر گرفتن pH دلخواه، میزان اسید و باز مورد نیاز برای تهیه‌ی محلول بافر را به دست می‌آوریم. معادله‌ی مذکور به این صورت است:
pH=pKa+Log(A–/HA)
pH: غلظت یون هیدروژن در محلول نهایی
pKa: ثابت تفکیک اسیدی
A–/HA: میزان غلظت اسید و باز مورد نیاز
برای تشخیص pH نهایی محلول در صورت افزودن میزان دلخواه اسید و باز نیز میتوان از فرمول ذکر شده استفاده کرد.
توجه داشته باشید که برای کارایی بهتر محلول بافر بهتر است اسید و باز،همواره در غلظت‌های یکسان یا نزدیک به هم مورد استفاده قرار گیرند.
نحوه‌ی 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.
کاربردهای 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.
جالب است بدانید که خون نیز یک سیستم بافری محسوب میشود. پلاسمای خون شامل کربنیک اسید و بی‌کربنات است که سبب میشود pH آن از بازه‌ی ۳۵/۷ تا ۴۵/۷ خارج نشود. حفظ pH خون در محدوده‌ی فوق، برای عملکرد صحیح آنزیم‌ها و پروتئین‌ها ضروری می‌باشد. اگر pH خون از حالت تعادل خارج شود، پروتئین‌های موجود در بدن می‌شکنند و کارایی خود را از دست م‌دهند. با توجه به این که انسان از انواع گوناگون مواد غذایی استفاده میکنند و هر روز مواد اسیدی و بازی گوناگونی وارد خون میشوند. وجود خاصیت بافری، برای جلوگیری از تغییرات pH و حفظ سلامت انسان ضروری می‌باشد.
نحوه نگهداری محلول‌های بافری
اگر بسته‌بندی محلول‌های بافر باز نشود، حداکثر تا دوسال خاصیت خود را حفظ میکنند و در غیر این صورت، بین ۳ تا ۶ ماه میتوان از آنها استفاده نمود. لازم به ذکر است که بافرهای بازی بسیار قوی، با pH بالاتر از ۱۰، در اثر ارتباط با دی اکسید کربن موجود در هوا خاصیت خود را سریع‌تر از دست میدهند و نهایتا تا یک ماه می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. در نتیجه، توجه به تاریخ انقضا در تولید، خرید و استفاده از محلول‌های بافر اهمیت بالایی دارد.
این محلول‌ها باید در ظروف پلاستیکی مخصوص و در دمای ۱۶ تا ۲۴ درجه‌ی سانتی‌گراد نگهداری شوند. سرما یا گرمای بیش از حد به محلول آسیب می‌رساند. به علاوه، بسیار مهم است که درب ظروف محلول بافر حتما بسته باشد.