สมบัติ องค์ประกอบ และประโยชน์ของสารละลายบัฟเฟอร์

สมบัติที่สำคัญของสารละลายบัฟเฟอร์ คือ มีสามารถในการรักษาสภาพ pH ของสารละลายเอาไว้ได้เมื่อเติมกรดแก่หรือเบสแก่จำนวนเล็กน้อยลงไป กล่าวอีกในหนึ่ง คือ pH ของบัฟเฟอร์จะมีการเปลี่ยนแปลงน้อยมาก สาเหตุที่เป็นเช่นนี้ เนื่องจากในสารละลายบัฟเฟอร์จะมีสารหรือไอออนที่ทำหน้าที่คอยควบคุมความเข้มข้นของ  H₃O⁺ และ OH^- ในระบบให้คงที่ ซึ่งความสามารถในการต้านทานการเปลี่ยนแปลง pH นี้เรียกว่า  buffer capacity

สารละลายบัฟเฟอร์ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่                                       

1. สารละลายของกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อน  มีค่า pH ของสารละลายน้อยกว่า 7

ตัวอย่าง ของสารละลายบัฟเฟอร์ชนิดนี้ได้แก่ CH₃COOH/CH₃COONa HCN/KCN HCOOH/HCOONa และ HF/NaF เป็นต้น                          

2. สารละลายของเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อน มีค่า pH ของสารละลายมากกว่า 7

ตัวอย่าง สารละลายบัฟเฟอร์ชนิดนี้ได้แก่ NH₃/NH₄Cl และ CH₃NH₂/ CH₃NH₄Cl เป็นต้น

การทำงานของบัฟเฟอร์ในการควบคุม pH                                   

กรณีบัฟเฟอร์กรด 

สมมติให้สารละลายบัฟเฟอร์ของนักเรียนประกอบด้วย CH₃COOH/CH₃COONa กรดอะซีติก (CH₃COOH) มีคุณสมบัติเป็นกรดอ่อน

ซึ่งแตกตัวให้ CH₃COO^- และ H₃O^­+ (แต่เนื่องจากเป็นกรดอ่อน โมเลกุลส่วนใหญ่จึงยังคงอยู่ในรูปของ CH₃COOH)

เขียนปฏิกิริยาเคมีในส่วนนี้ได้เป็น

เกลือโซเดียมอะซีแตต (CH₃COONa) สามารถแตกตัวได้ 100% ดังนั้น ในสารละลายจึงมี CH₃COO^- และ Na⁺ อยู่เป็นจำนวนมาก

เมื่อนักเรียนนำกรดอะซีติกและเกลือโซเดียมอะซีเตตมาผสมกัน จะทำให้สารละลายมีปริมาณ CH₃COOH และ CH₃COO^- อยู่ในสารละลายในจำนวนที่ CH₃COO^- มีปริมาณที่มากกว่า เมื่อเทียบกับจำนวน CH₃COO^- ที่แตกตัวออกมาจากกรด CH₃COOH เอง เมื่อทั้ง CH₃COOH และ CH₃COO^- อยู่ในสภาวะสมดุล จะเกิดสภาวะที่เรียกว่า บัฟเฟอร์

ซึ่งสามารถเขียนสมการแสดงสภาวะสมดุลของสารละลายบัฟเฟอร์ได้ว่า

(สมการนี้เรียกว่า Handerson Hasselbalch)

บัฟเฟอร์กรดทำงานอย่างไร 

เติมกรด: หากนักเรียนเติมกรดลงไป  สารละลายบัฟเฟอร์จะทำการกำจัด H⁺ ที่เพิ่มขึ้นมา โดยการนำ CH₃COO^- ไปทำปฏิกิริยากับกรด เกิดเป็น CH₃COOH

จากสถานการณ์นี้ จำนวน CH₃COO^- มีค่าลดลง    จำนวน CH₃COOH มีค่าเพิ่มขึ้น แต่จำนวน H⁺ จะมีค่าคงที่หรือมีการเปลี่ยนแปลงที่น้อยมาก ทำให้ pH ของสารละลายไม่เปลี่ยนแปลงไปมาก             

เติมเบส: ในกรณีนี้ สารละลายบัฟเฟอร์จะทำการจำกัดเบสที่เติมมา โดยนำ CH₃COOH มาทำปฏิกิริยากับ OH^- เกิดเป็น CH₃COO^- และน้ำ

จากสถานการณ์นี้ จำนวน CH₃COO^- มีค่าเพิ่มขึ้น  จำนวน CH₃COOH มีค่าลดลง ทำให้จำนวน H⁺ มีค่าเท่าเดิมหรือมีการเปลี่ยนแปลงที่น้อยมาก ทำให้ pH ของสารละลายไม่เปลี่ยนแปลง

กรณีบัฟเฟอร์เบส 

สมมติให้สารละลายบัฟเฟอร์ของนักเรียนประกอบด้วย NH₃/NH₄Cl โดยแอมโมเนีย (NH₃) มีคุณสมบัติเป็นเบสอ่อน

ซึ่งเมื่อแตกตัวในน้ำจะเกิดเป็น NH₄⁺ และ OH^­- (แต่เนื่องจากเป็นเบสอ่อน โมเลกุลส่วนใหญ่จึงยังคงอยู่ในรูปของ NH₃)

เขียนปฏิกิริยาเคมีการแตกตัวของ NH₃ ได้เป็น

เกลือแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH₄Cl) สามารถแตกตัวได้ 100% ดังนั้น ในสารละลายจึงมี NH₄⁺ และ Cl^- อยู่เป็นจำนวนมาก

เมื่อนักเรียนนำแอมโมเนียและเกลือแอมโมเนียมคลอไรด์มาผสมกัน จะทำให้สารละลายมีปริมาณ NH₃ และ NH₄⁺ อยู่ในสารละลายในจำนวนที่ปริมาณ NH₄⁺ มีมากกว่าจำนวน NH₄⁺ ที่แตกตัวออกมาจากแอมโมเนียเอง เกิดเป็นสภาวะบัฟเฟอร์

ที่สามารถเขียนสมการแสดงสภาวะสมดุลได้ว่า

(สมการนี้เรียกว่า Handerson Hasselbalch)

บัฟเฟอร์เบสทำงานอย่างไร

เมื่อเติมกรด: หากนักเรียนเติมกรดลงไป  สารละลายบัฟเฟอร์จะทำการกำจัด H⁺ ที่เพิ่มขึ้นมา โดยการนำ NH₃ ไปทำปฏิกิริยากับกรด เกิดเป็น NH₄⁺         

จากสถานการณ์นี้ จำนวน NH₃ จะมีค่าลดลง จำนวน NH₄⁺ มีค่าเพิ่มขึ้น แต่จำนวน OH^- จะมีค่าคงที่หรือมีการเปลี่ยนแปลงที่น้อยมาก ทำให้ pH ของสารละลายไม่เปลี่ยนแปลงไปมาก    

เมื่อเติมเบส: ในกรณีนี้ สารละลายบัฟเฟอร์จะทำการจำกัดเบสที่เติมมา โดยนำ NH₄⁺มาทำปฏิกิริยากับ OH^- เกิดเป็น NH₃ และน้ำ

จากสถานการณ์นี้ จำนวน NH₃ จะมีค่าเพิ่มขึ้น  จำนวน NH₄⁺ มีค่าลดลง ทำให้จำนวน OH^- มีค่าเท่าเดิมหรือมีการเปลี่ยนแปลงที่น้อยมาก ทำให้ pH ของสารละลายไม่เปลี่ยนแปลง

ประโยชน์ของสารละลายบัฟเฟอร์

บัฟเฟอร์มีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต ช่วยรักษา homeostasis ในร่างกาย รักษาสภาพกรด-เบสภายในเซลล์ให้คงที่

ตัวอย่าง ช่วยในการรักษา pH ของพลาสมาในเลือด  ช่วยรักษาสภาพบัฟเฟอร์ในไต เป็นต้น