0-สารละลายบัฟเฟอร์ (Buffer Solution)

สารละลายของกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อน หรือคู่เบสของกรดอ่อน หรือหมายถึงสารละลายของเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อน หรือคู่กรดของเบสอ่อนนั้น สมบัติของสารละลายบัฟเฟอร์ คือ รักษาสภาพ pH ของสารละลายเอาไว้โดยจะเกิดการเปลี่ยนแปลงน้อยมากเมื่อเติมกรดแก่หรือเบสแก่จำนวนเล็กน้อยลง

การเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์ต้องพิจารณาปัจจัยดังต่อไปนี้

1. เลือกบัฟเฟอร์ที่เหมาะสมกับ pH ที่ต้องการเตรียม โดยพิจารณาค่า pKa ของสาร ให้มีค่าใกล้เคียงกับ pH ที่ต้องการเตรียม เช่น หากต้องการเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์ที่ช่วง pH 4.5 – 6.0 ควรเลือกใช้กรดอ่อนที่มี pka = 5.5 เป็นต้น

หากต้องนำสารละลายบัฟเฟอร์ไปปรับ pH ของสารละลายอื่นให้มีค่าลดลง ควรเลือกใช้สารที่มีค่า pKa ต่ำกว่า pH ที่ต้องการเล็กน้อย แต่ถ้าต้องการนำสารละลายบัฟเฟอร์ไปปรับ pH สารละลายให้สูงขึ้น ควรเลือกใช้สารที่มี pKa สูงกว่า pH ที่ใช้งานเล็กน้อย

2. ตามปกติความเข้มข้นของสารละลายบัฟเฟอร์ที่เตรียมควรอยู่ระหว่าง 1 – 200 มิลลิโมลาร์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความแรงไอออน (ion strength) และความจุของสารละลายบัฟเฟอร์ (Buffering capacity) ที่ต้องการ (ศิริพร จันทรคีรี, 2555, 157)

สิ่งที่ควรคำนึงถึงเมื่อต้องการเตรียมบัฟเฟอร์

เพื่อให้ได้ pH ทีถูกต้องแม่นยำจะต้องทำการสอบเทียบ pH meter ก่อนใช้ทุกครั้งเสมอ ดังนั้นสารละลายบัฟเฟอร์ที่ถูกต้องแม่นยำที่สุดควรจะเตรียมจากการคำนวณและชั่งสารที่ถูกต้องตามทฤษฎี ขั้นตอนการเตรียมและสิ่งที่ควรทราบเกี่ยวกับบัฟเฟอร์ มีดังนี้

- บัฟเฟอร์มีคุณสมบัติเฉพาะตัว

เช่น สารละลายบัฟเฟอร์ phosphoric acid (sodium) 100 mM pH = 2.1 หมายถึงบัฟเฟอร์ชนิดนี้ใช้กรดฟอสฟอริกเป็นกรด และโซเดียมเป็นเกลือ มีความเข้มข้น 100 mM มี pH เท่ากับ 2.1 แน่นอน

- ความสามารถสูงสุดของการเป็นบัฟเฟอร์จะไม่เกิน ค่า pka กรดหรือเบสที่ใช้เตรียม เช่น

สารละลายบัฟเฟอร์ Acetic acid( sodium) ที่เตรียมโดยการผสมกรดอะซิติกกับโซเดียมอะซิเตต ในอัตราส่วน 1 : 1 สารละลายบัฟเฟอร์นี้มีค่า pH = 4.7 ซึ่งใกล้เคียงกับค่า pKa ของกรดอะซิติก นี่เป็นความสามารถสูงสุดในการเป็นบัฟเฟอร์นี้

- ความจุบัฟเฟอร์ลดลงเมื่อความเข้มข้นของสารละลายบัฟเฟอร์ลดลง

สารละลายบัฟเฟอร์ Acetic acid (sodium) ที่ความเข้มข้น 100 mM จะมีความจุบัฟเฟอร์มากกว่าที่ความเข้มข้น 10 mM แต่การใช้ความเข้มข้นสูง ๆ มีโอกาสที่สารจะตกตะกอนออกมาด้วย จึงควรระวัง

- ความสามารถในการละลายของเกลือแตกต่างกันตามชนิดของเกลือ เช่น เกลือโพแตสเซียมหรือเกลือโซเดียม จะสามารถตกตะกอนได้ดีเมื่อผสมกับตัวทำละลายอินทรีย์ ดังนั้น จึงควรหลีกเลี่ยงการใช้สารละลายบัฟเฟอร์ที่เตรียมจากกรดอินทรีย์ (กรดคาร์บอกซิลิก) ให้มากที่สุด เมื่อต้องใช้วิเคราะห์ด้วยแสง UV หรือเครื่องมือเคราะห์ที่ต้องผ่านแสง UV เข้าไปในสารละลาย

บัฟเฟอร์ต้านทานการเปลี่ยนแปลง pH เนื่องจากความสมดุลระหว่างกรดอ่อน HX และเบสคอนจูเกต X: เมื่อ X คือสารใดๆ
HX ⇌ H+ + X−
เมื่อมีการเติมกรดแก่ (H+ มากกว่า) ลงในส่วนผสมสมดุลของกรดอ่อนและเบสคอนจูเกต สมดุลจะเลื่อนไปทางซ้ายตามหลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์ ทำให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน (H+) เพิ่มขึ้นน้อยกว่าปริมาณที่คาดไว้สำหรับปริมาณกรดแก่ที่เติม
ในทำนองเดียวกัน หากเติมเบสแก่ลงในของผสม ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนจะลดลงน้อยกว่าปริมาณที่คาดไว้สำหรับปริมาณของเบสที่เติม เนื่องจากปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปทางขวาเพื่อรองรับการสูญเสีย H+ ในปฏิกิริยากับเบส

บัฟเฟอร์ทำงานโดยการทำให้กรดที่เติมเพิ่ม (H+ ion) หรือเบส (OH- ion) เป็นกลาง เพื่อรักษา pH ในระดับปานกลาง ทำให้กรดหรือเบสอ่อนลง มาดูตัวอย่างกันของบัฟเฟอร์ที่ประกอบด้วยแอมโมเนียเบสอ่อน NH3 และกรดคอนจูเกต NH4+

เมื่อเติม HCl (กรดแก่) ลงในระบบบัฟเฟอร์นี้ NH3 ไอออนพิเศษที่เติมลงในระบบจะถูกใช้เพื่อสร้าง NH4+ ตอนนี้ เนื่องจากไอออน H+ ส่วนเกินทั้งหมดถูกล็อคและก่อตัวเป็นกรดอ่อนกว่า NH4+ ดังนั้น pH ของระบบจึงไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ในทำนองเดียวกัน

เมื่อเติม NaOH (เบสแก่) ลงในระบบบัฟเฟอร์นี้ แอมโมเนียมไอออนจะบริจาคโปรตอนไปยังเบสเพื่อให้กลายเป็นแอมโมเนียและน้ำ ซึ่งจะทำให้เบสเป็นกลางโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลง pH อย่างมีนัยสำคัญ

บัฟเฟอร์ที่เป็นกรด

บัฟเฟอร์กรดมีค่า pH น้อยกว่า 7 โดยทั่วไปจะทำมาจากกรดอ่อนๆ และเกลือชนิดหนึ่ง (มักเรียกว่าคอนจูเกต) บัฟเฟอร์ที่เป็นกรดที่ใช้กันทั่วไปเป็นส่วนผสมของกรดเอทาโนอิกและโซเดียมเอทาโนเอตในสารละลายซึ่งมี pH 4.76
เมื่อผสมด้วยความเข้มข้นของโมลาร์เท่ากัน
คุณสามารถเปลี่ยนค่า pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ได้โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนของกรดต่อเกลือ หรือโดยการเลือกกรดชนิดอื่นและเกลือชนิดใดชนิดหนึ่ง

บัฟเฟอร์ที่เป็นเบส

บัฟเฟอร์เบสมีค่า pH มากกว่า 7 และทำจากเบสอ่อนและเกลือชนิดหนึ่ง ตัวอย่างที่ใช้กันมากของสารละลายบัฟเฟอร์อัลคาไลน์คือส่วนผสมของสารละลายแอมโมเนียและแอมโมเนียมคลอไรด์ ถ้าผสมเหล่านี้ในสัดส่วนโมลาร์เท่ากัน สารละลายจะมี pH 9.25

ตัวอย่างการเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์บางชนิด

1. สารละลายบัฟเฟอร์ 100 mM phosphoric acid (sodium) (pH=2.1)

ใช้ Sodium dihydrogen phosphate dihydrate 7.8 g (M.W.=156.01, 50 mmol) ผสมกับ กรด Phosphoric (85 %, 14.7 mol/L, 50 mmol) ปริมาตร 3.4 mL ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

2. สารละลายบัฟเฟอร์ 10 mM phosphoric acid (sodium) (pH=2.6)

ใช้ Sodium dihydrogen phosphate dihydrate (M.W.=156.01) 5 mmol 0.78 g ผสมกับ กรดPhosphoric (85 %, 14.7 mol/L ,5 mmol) (0.34 mL) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

(หรือจะเจือจาง 100 mM phosphoric acid (sodium) buffer solution (pH=2.1) 10 เท่าก็ได้)

3. สารละลายบัฟเฟอร์ 50 mM phosphoric acid (sodium) (pH=2.8)

ใช้ Sodium dihydrogen phosphate dihydrate (M.W.=156.01)..40 mmol (6.24 g) ผสมกับ Phosphoric acid (85 %, 14.7 mol/L) 10 mmol (0.68 mL)ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

4. สารละลายบัฟเฟอร์ 100 mM phosphoric acid (sodium) (pH=6.8)

ใช้ Sodium dihydrogen phosphate dihydrateM.W.=156.01)..50 mmol (7.8 g) ผสมกับ Sodium dihydrogen phosphate 12-hydrate (M.W.=358.14)..50 mmol (17.9 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

5. สารละลายบัฟเฟอร์ 10 mM phosphoric acid (sodium) (pH=6.9)

ใช้ Sodium dihydrogen phosphate dihydrate (M.W.=156.01) 5 mmol (0.78 g) ผสมกับ Sodium dihydrogen phosphate 12-hydrate (M.W.=358.14)..5 mmol (1.79 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร(หรือเจือจาง 100 mM phosphoric acid (sodium) buffer solution (pH=6.8) 10 เท่าก็ได้)

6. สารละลายบัฟเฟอร์ 20 mM citric acid (sodium) (pH=3.1)

ใช้ Citrate dihydrate (M.W.=210.14)16.7 mmol (3.51 g) ผสมกับ Sodium citrate dihydrate (M.W.=294.10)..3.3 mmol (0.97 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

7. สารละลายบัฟเฟอร์ 20 mM citric acid (sodium) (pH=4.6)

ใช้ Citrate dihydrate (M.W.=210.14) 10 mmol (2.1 g) ผสมกับSodium citrate dihydrate (M.W.=294.10)..10 mmol (2.94 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

8. สารละลายบัฟเฟอร์ 10 mM tartaric acid (sodium) (pH=2.9)

ใช้ Tartaric acid (M.W.=150.09) 7.5 mmol (1.13 g) ผสมกับ Sodium tartrate dihydrate (M.W.=230.08) 2.5 mmol (0.58 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

9. สารละลายบัฟเฟอร์ 10 mM tartaric acid (sodium) (pH=4.2)

ใช้ Tartaric acid (M.W.=150.09) 2.5 mmol (0.375 g) ผสมกับSodium tart rate dihydrate (M.W.=230.08) 7.5 mmol (1.726 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

10. สารละลายบัฟเฟอร์ 20mM (acetic acid) ethanolamine pH=9.6

ใช้ Monoethanolamine (M.W.=61.87, d=1.017) 20 mmol (1.22 mL) ผสมกับ Acetic acid (glacial acetic acid, 17.4 mol/L) 10 mmol (0.575 mL) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

11. สารละลายบัฟเฟอร์ 100 mM acetic acid (sodium) (pH=4.7)

ใช้ Acetic acid (glacial acetic acid) (99.5 %, 17.4 mol/L) 50 mmol (2.87 mL) ผสมกับ Sodium acetate trihydrate (M.W.=136.08) 50 mmol (6.80 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

12. 100 mM acetic acid (sodium) buffer solution (pH=4.7)

13. สารละลายบัฟเฟอร์ 100 mM boric acid (potassium) (pH=9.1)

ใช้ Boric acid (M.W.=61.83) 100 mmol (6.18 g) ผสมกับ Potassium hydroxide (M.W.=56.11) 50 mmol (2.81 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

14. สารละลายบัฟเฟอร์ 100 mM boric acid (sodium) (pH=9.1)

ใช้ Boric acid (M.W.=61.83) 100 mmol (6.18 g) ผสมกับ Sodium hydroxide (M.W.=40.00) 50 mmol (2.00 g) ปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่นให้เป็น 1 ลิตร

0-สารละลายบัฟเฟอร์ (Buffer Solution)

หลักการของสารละลายบัฟเฟอร์

ชนิดของสารละลายบัฟเฟอร์

References