1. No category

Protolyysi III
Puskuriliuokset, happoemästitraukset ja indikaattorit
Puskuriliuokset
Luennon sisältö:
• 
• 
• 
• 
• 
Mitä ovat puskuriliuokset?
Miten puskuriliuoksia valmistetaan?
Puskuriliuosten matematiikkaa lyhyesti
Fysiologisia puskureita
Avainsanoja
Mitä ovat puskuriliuokset?
Mitä ovat puskuriliuokset?
•  Vesiliuos, joka kykenee vastustamaan pH:n
muutoksia
•  Rajallinen puskurikapasiteetti
•  Voidaan valmistaa
eri pH-alueille
•  Fysiologisia/biologisia/
farmaseuttisia/
teollisia
Miten puskuriliuoksia
valmistetaan?
pH = -­‐ log [H3O+] •  Koostuu useimmiten:
–  heikosta haposta ja sen konjugaattiemäksestä
–  heikosta emäksestä ja sen konjugaattihaposta
–  Suuret ja yhtäsuuret konsentraatiot
•  Voidaan myös valmistaa lisäämällä ensin heikkoa
happoa, minkä jälkeen vahvaa emästä noin puolet
hapon määrästä. Mitä silloin käy?
•  Tehokkaimmillaan:
–  pH = pKa Miksi?
Esim. Etikkahappo/asetaatti-ioni puskuriliuoksen valmistus
Lisätään natriumasetaatti liuokseen:
CH3COONa à CH3COO- + Na+
Lisätään yhtä suuri määrä etikkahappoa:
CH3COOH + H2O ⇌ CH3COO- + H3O+
Lopputuloksena happoa ja sen emäsmuotoa on
suurinpiirtein yhtä paljon:
[CH3COOH] ≈ [CH3COO-]
Puskurikapasiteetti
•  Puskuriliuoksella on rajallinen kapasiteetti vastustaa
pH:n muutoksia.
•  Edellyttää, että hapon ja emäksen konsentraatiot
ovat suuret verrattuna protolyytin lisäykseen.
•  Puskurikapasiteetti suurimmillaan, kun pH:n ja pKa:n
ero < 1! Miksi??!?!
Puskuriliuosten matematiikkaa
•  Toimintaperiaate:
pH = pKa + log ([A-­‐]/[HA]) [HA] ⇌ [H+] + [A-] ß Tasapainoreaktio!
•  Voidaan selvittää:
–  Liuoksen pH tai happo-/emäsmuotojen suhde
–  pH:n muutoksia lisättäessä happoa/emästä
•  Käsittely kuin happo-emäs laskuissa (muutostaulukko,
happovakion lauseke jne.)
•  HH-yhtälön avulla käsittely nopeutuu huomattavasti
•  Kaavaan sijoitetaan alkukonsentraatiot
pH:n muutokset
•  Lisättäessä happoa/emästä
–  Tapahtuu neutraloituminen, jossa happo
muuttuu emäsmuotoon tai toisinpäin
–  Lasketaan uudet konsentraatiot spesieksille
à Lasketaan uusi pH
Esimerkki
”Laske pH puskuriliuokselle, joka sisältää 0,050 M
bentsoehappoa ja 0,100 M sen natriumsuolaa.
Muodosta ratkaisu tasapainoyhtälöitä
hyödyntämällä, sekä käyttämällä HendersonHasselbach-yhtälöä”
Ka = 6,5*10-5”
Esimerkki
“Divetyfosfaatti-ioni-/monovetyfosfaattiionipuskuri on elmistössä tärkeä solun sisäinen
puskuri. Missä konsentraatiosuhteessa HPO42- ja
H2PO4- -suoloja pitää liuoksessa olla, jotta
puskuriliuos saataisiin fysiologiselle pH-alueelle,
(eli pH 7,4)? pKa = 7,2”
Elimistön puskurointi
•  Jotta tietty puskuri olisi elimistössä
käyttökelpoinen, täytyy sen pKa:n olla lähellä
elimistön pH:ta (puskurikapasiteetti)
•  Esimerkki solunulkoisesta puskurista on
hiilihappo-vetykarbonaattipuskuri, pKa =
6,36. Huomioi että hiilihappo on vain välituote
hiilidioksidin muodostumisessa.
–  Hyperventilaatiossa hiilidioksidia poistuu liikaa,
jolloin elimistön pH nousee. (alkaloosi)
14
Fysiologisia puskureita
•  Veressä toimiva CO2/HCO3- -puskuri:
CO2(g) ⇄ CO2(aq)
CO2(aq) + H2O ⇄ H2CO3 (aq)
H2CO3 + H2O ⇄ HCO3- + H3O+
HCO3- + H2O ⇄ CO32- + H3O+
Ñ 
(pKa = 3,8)
(pKa = 10,2)
Yhdistelmäreaktio:
CO2 (aq) + 2 H2O (l) ↔ H3O+ (aq) + HCO3- (aq) (pKa = 6,1)
Fysiologisia puskureita
•  Muita elimistön puskureita:
–  Hemoglobiini/oksihemoglobiini ja muut veren
proteiinit (vastaavat lähes täysin veren
puskuroinnista)
–  Epäorgaaniset fosfaatit (H2PO4- , pKa = 7,2)
(intrasellulaarisesti erittäin merkittävä!)
–  Histidiinitähteiden sivuketjut
–  Kahtaisionimuotoiset aminohapot
Kertaus ja avainsanoja
•  Miten nämä nyt sitten menikään?
–  Happo neutraloi lisätyn emäksen
–  Emäs neutraloi lisätyn hapon
–  Lisäykset pieniä verrattuna konsentraatioihin
•  Avainsanoja:
–  pH, pKa
–  Puskurikapasiteetti
–  Puskurialue
–  CO2/HCO3- -puskuri
Esimerkki
“Etikkahaposta ja natriumasetaatista tehdään
puskuriliuos. 0,050 mol natriumasetaattia ja
0,10 mol etikkahappoa sekoitetaan ja lisätään
vettä, siten että liuoksen tilavuus on 0,50 l.
Laske pH. Ka(etikkahappo)= 1,8*10-5 mol/l.”
Esimerkki
“Edelliseen puskuriliuokseen lisätään 0,018g
NaOH:a. Paljonko pH muuttuu?”
Happo-emästitraukset
Mitä on titraaminen?
•  Titrauksella pyritään selvittämään
tuntemattoman liuoksen sisältämää happo-/
emäsmäärää neutraloimalla liuosta
•  Termejä:
–  Vahva happo/emäs, heikko happo/emäs
–  Titrauskäyrä
–  Ekvivalenttikohta
–  Puskurialue
Titrauskäyrä
•  Titrauskäyrä esittää pH:n
muutoksen emäslisäyksen
funktiona titrattaessa
emäksellä ja
happolisäyksen funktiona
titrattaessa hapolla.
•  Ekvivalenttikohdassa käyrä
tekee jyrkän hyppäyksen.
•  Hyppäyksen keskikohta
ilmoittaa
ekvivalenttikohdan pHarvon ja sitä vastaavan
titrauskulutuksen.
Ekvivalenttikohta
•  Ekvivalenttikohta
(stoikiometrinen piste) on
kohta, jossa titrattavan
yhdisteen ja titraavan
yhdisteen ainemäärä on
reaktioyhtälön mukaisesti
tasan.
•  Happo-emäs-titrauksessa
happo ja emäs ovat silloin
juuri neutraloituneet ja
liuoksen pH muuttuu
hyppäyksellisesti.
•  Ennen ekvivalenttikohtaa ja
sen jälkeen pH muuttuu
hitaammin.
Vahvan hapon titraus
•  Vahvaa happoa
vahvalla emäksellä (tai
päinvastoin)
titrattaessa
ekvivalenttikohdan pH
on 7,00 ja tarvittu
emäs/happolisäys
voidaan lukea xakselilta.
Heikon hapon titraus
•  Titrattaessa heikkoa
happoa vahvalla emäksellä,
ekvivalenttikohdan pH on
selvästi yli 7.
•  Tämä johtuu siitä, että
heikosta haposta syntynyt
anioni sitoo protoneja.
•  Vahvasta haposta
muodostunut anioni ei
pysty sitomaan protoneja
(ei emäsluonnetta, sillä Kb
todella pieni) à näin ollen
vahvan hapon titraus
tuottaa aina neutraalin
pH:n, kun ollaan
ekvivalenttikohdassa.
Heikon hapon titraus
•  Titrattaessa heikkoa
happoa voidaan hapon
happovakion Ka arvo
määrittää käyrän
alkuportaan puolivälistä,
jossa titraukseen käytetystä
emäksestä on lisätty
puolet.
•  Tässä kohdin hapon
konsentraatio on yhtä suuri
kuin sen anionin
konsentraatio eli [HA] = [A-]
•  Samassa kohdassa myös
liuoksen puskurivaikutus
on suurin.
Esimerkki
Mitä titrataan?
•  Happoa, sillä pH
nousee.
•  Heikkoa, sillä
ekvivalenttikohdan
pH>7
•  Nähtävissä
puskurialue
•  Missä on pKa?
Happo-emäsindikaattorit
•  Aineita, jotka muuttavat väriään liuoksen pH:n
mukaan
–  Jokaisella aineella on oma värimuutosalueensa pHasteikolla
•  Heikkoja protolyyttejä
–  Happomuoto on eri värinen kuin emäsmuoto
–  Indikaattoria on vähän, ei vaikuta liuoksen pHarvoon
•  Kun liuoksen pH ohittaa indikaattorin pKa:n, väri
muuttuu à eli emäsmuotoa on enemmän
Yleisimmät indikaattorit
h5p://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/186indicator.html