Encontre a capacidade de um tampão (β) – quantos moles de ácido ou base por litro ele pode absorver antes que seu pH mude em uma unidade. Insira a concentração total do buffer, pKa e pH, ou pule para o caso especial em pH = pKa ou a faixa efetiva de ±1 do buffer.
Entradas
Concentrações totais de ácido fraco + base conjugada, em mol/L.
Buffers comuns (define pKa)
Resultado
—
Insira concentração, pKa e pH para calcular a capacidade tampão.
β (mol/L por pH)—
% do máximo—
Faixa de buffer—
ka—
A seu pH—
Máximo (a pH = pKa)—
Entradas
A pH = pKa, a capacidade tampão é máxima para esta concentração - independentemente de qual ácido fraco você usa.
Resultado
—
Insira a concentração total do buffer para calcular a capacidade máxima do buffer.
βmáx. (mol/L por pH)—
Concentração—
FórmulaIn(10)·C/4
Entradas
Usado para mostrar quanta capacidade de buffer está fora dos limites do intervalo efetivo.
Resultado
—
Insira um pKa e uma concentração para ver o intervalo efetivo do buffer.
Gama baixa—
Gama alta—
β um centro (máximo)—
β uma aresta—
% do máximo de uma aresta—
4 min de leitura3 etapas7 termos3 exemplos6 perguntasβ = ln(10) · C · (Ka·[H⁺]) / (Ka + [H⁺])²
A função de um buffer é resistir à mudança de pH, mas nem todos os buffers resistem igualmente bem - e mesmo um único buffer resiste melhor em alguns valores de pH do que em outros.
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Etapas
Como usar esta calculadora
3 etapas▸
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Encontre a capacidade tampão em um pH específico
Na guia Capacidade do tampão, insira a concentração total do tampão (mol/L), o pKa do ácido fraco e o pH da solução. A calculadora aplica a equação de Van Slyke instantaneamente enquanto você digita, mostrando β (capacidade do buffer em mol/L por unidade de pH), qual porcentagem é da capacidade máxima possível e a faixa efetiva do buffer (pKa ± 1).
2
Encontre a capacidade máxima para uma concentração
Mude para a guia Em pH = pKa quando quiser apenas saber o teto – a maior capacidade tampão que uma determinada concentração total pode fornecer. Insira apenas a concentração; o máximo, β_max = ln(10)·C/4, é alcançado em pH = pKa, independentemente do ácido fraco que você está usando.
3
Veja como a capacidade cai em todo o intervalo do buffer
Use a guia Faixa de buffer para ver a faixa efetiva convencional de pKa ± 1 e quanto a capacidade do buffer cai em suas bordas em comparação com o centro. Insira um pKa e uma concentração para ver os limites do intervalo mais β no centro (máximo) e na borda (cerca de 33% do máximo).
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Referência
Fórmula e metodologia
3 fórmulas▸
Equação de Van Slyke (capacidade tampão)
β = ln(10) · C · (Ka·[H⁺]) / (Ka + [H⁺])²
C é a concentração total do tampão ([HA] + [A⁻]) em mol/L, Ka = 10^(−pKa) é a constante de dissociação do ácido e [H⁺] = 10^(−pH). β são os moles de ácido ou base forte por litro necessários para alterar o pH da solução em uma unidade - uma medida direta de quão fortemente o tampão resiste à mudança de pH. O fator ln(10) ≈ 2.303 converte a derivada logarítmica natural da expressão de equilíbrio na escala logarítmica de base 10 do pH.
Capacidade máxima (em pH = pKa)
β_max = ln(10) · C / 4
Quando o pH é igual a pKa, [H⁺] é igual a Ka, então o termo (Ka·[H⁺])/(Ka+[H⁺])² simplifica para 1/(4Ka), e β_max depende apenas da concentração total C - não do valor específico de pKa. Este é o cálculo usado na aba At pH = pKa.
Capacidade nas bordas do intervalo
β(pKa ± 1) ≈ 0.33 · β_max
Em pH = pKa + 1 (ou pKa − 1), a razão [H⁺]/Ka é 10 (ou 0,1). A substituição na equação de Van Slyke fornece β ≈ ln(10)·C·0,0826, que resulta em cerca de 33% de β_max — a queda mostrada na guia Intervalo de buffer.
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Glossário
Principais termos explicados
7 termos▸
Capacidade tampão (β)Uma medida quantitativa da resistência de um tampão à mudança de pH, definida como os moles de ácido ou base forte por litro necessários para alterar o pH da solução em exatamente uma unidade. β mais alto significa um buffer mais forte e mais resistente.
Equação de Van SlykeA equação β = ln(10)·C·(Ka·[H⁺])/(Ka+[H⁺])² que fornece a capacidade de um tampão a partir de sua concentração total, Ka (ou pKa), e da solução [H⁺] (ou pH). Nomeado em homenagem ao bioquímico Donald Van Slyke, que formalizou o conceito em 1922.
TampãoUma solução contendo um ácido fraco e sua base conjugada (ou uma base fraca e seu ácido conjugado) que resiste a mudanças no pH quando pequenas quantidades de ácido ou base são adicionadas.
pKaO logaritmo negativo de base 10 da constante de dissociação de ácido (Ka). Cada ácido fraco tem seu próprio pKa característico, e a capacidade do tampão está centrada em torno desse valor.
Faixa de bufferA janela de pH, convencionalmente pKa ± 1, dentro da qual um tampão é considerado eficaz. Fora desta faixa, a capacidade tampão cai drasticamente e a solução não consegue mais resistir bem às mudanças de pH.
Equação de Henderson-HasselbalchA equação relacionada pH = pKa + log₁₀([A⁻]/[HA]) que fornece o pH de um tampão a partir de seu pKa e a proporção entre base conjugada e ácido fraco. A capacidade do tampão (esta calculadora) mede quanto ácido ou base o tampão pode absorver; a equação de Henderson-Hasselbalch informa o pH resultante.
Concentração molar (M)A concentração total das formas ácido e base conjugada combinadas de um tampão, medida em moles por litro (mol/L, escrito M). A capacidade do buffer aumenta diretamente com esta concentração total.
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Situações comuns
Exemplos práticos
3 exemplos▸
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Estudante de bioquímica
Capacidade máxima em pH = pKa
Concentração total (C) 0,1 MpKa (ácido acético) 4.76PH da solução 4.76
Com pH exatamente em pKa, [H⁺] é igual a Ka e o tampão está no seu ponto mais forte: β = ln(10)·(0,1)/4 ≈ 0,0576 mol/L por unidade de pH — 100% da capacidade máxima possível para esta concentração. Este é o pH que toda preparação de tampão busca quando a resistência máxima à mudança de pH é mais importante.
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Técnico de laboratório
Capacidade no limite do intervalo de buffer
Concentração total (C) 0,1 MpKa (ácido acético) 4.76PH da solução 5,76 (pKa + 1)
Uma unidade de pH completa acima do pKa – o limite convencional da faixa efetiva do tampão – β cai para cerca de 0,019 mol/L por unidade de pH, apenas ~33% do máximo em pH 4,76. É por isso que os buffers só são considerados confiáveis dentro de aproximadamente pKa ± 1: a capacidade cai rapidamente quando você se afasta do centro.
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Formulador
Dobrando a concentração
Concentração total (C) 0,2 milhões (vs. 0,1 milhões)pKa (fosfato) 7.21PH da solução 7.21
A capacidade do tampão é diretamente proporcional à concentração: duplicar C de 0,1 M para 0,2 M duplica exatamente β, de ≈0,0576 para ≈0,1151 mol/L por unidade de pH. Quando uma formulação precisa resistir a uma carga maior de ácido ou base sem uma maior oscilação de pH, aumentar a concentração total do tampão é a alavanca mais direta disponível.
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Referência
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Análise detalhada
Quanto ácido ou base um tampão pode realmente absorver? Compreendendo a capacidade do buffer
A função de um buffer é resistir à mudança de pH, mas nem todos os buffers resistem igualmente bem - e mesmo um único buffer resiste melhor em alguns valores de pH do que em outros. A capacidade do tampão (β) atribui um número a essa resistência, e a equação de Van Slyke é a ferramenta padrão que os químicos usam para calculá-la a partir da concentração de um tampão, pKa e pH atual.
Qual capacidade tampão realmente mede
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A capacidade tampão é definida como os moles de ácido ou base forte, por litro de solução, necessários para alterar o pH em exatamente uma unidade. Um tampão com β = 0,1 mol/L por pH resiste duas vezes mais do que um com β = 0,05: é necessário o dobro de ácido ou base adicionado para mover seu pH na mesma quantidade. Ao contrário do próprio pH, que apenas informa o estado atual de uma solução, β informa como a solução responderá a uma perturbação — a propriedade que realmente importa ao projetar um buffer para uma aplicação real.
Por que a capacidade atinge o pico exatamente em pH = pKa
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A equação de Van Slyke, β = ln(10)·C·(Ka·[H⁺])/(Ka+[H⁺])², é maximizada quando o denominador (Ka+[H⁺])² é menor em relação ao numerador Ka·[H⁺] — o que acontece precisamente quando Ka é igual a [H⁺], ou seja, quando pH é igual a pKa. Nesse ponto, o ácido fraco e sua base conjugada estão presentes em concentrações iguais, de modo que há igualmente a mesma quantidade de cada espécie disponível para neutralizar o ácido ou a base que entra. Afaste-se de pH = pKa em qualquer direção e uma espécie fica relativamente curta, então a resistência do tampão enfraquece - mesmo que a concentração total não tenha mudado.
A regra prática do pKa ± 1 e por que é ~33%, não zero
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Os químicos convencionalmente tratam um tampão como "eficaz" dentro de cerca de uma unidade de pH do seu pKa - uma proporção base:ácido entre 1:10 e 10:1. Este não é um corte arbitrário: nessas bordas, β caiu para cerca de 33% do seu máximo, uma queda grande o suficiente para que o buffer comece a permitir oscilações de pH visivelmente maiores por unidade de ácido ou base adicionada. Porém, não é zero – o buffer ainda fornece resistência real fora do pKa ± 1, apenas significativamente menor. Escolher um ácido fraco cujo pKa esteja próximo do pH que você realmente precisa manter é a maior alavanca sobre o desempenho de um tampão na prática.
Usando capacidade tampão em laboratório e trabalho de formulação
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Os cálculos da capacidade do buffer respondem a uma pergunta muito prática: esse buffer manterá seu pH contra a carga ácida ou básica que meu processo irá gerar? Os tampões biológicos (como solução salina tamponada com fosfato) são formulados com capacidade suficiente para absorver o CO₂ e os ácidos metabólicos produzidos por uma cultura celular; os tampões industriais e farmacêuticos são dimensionados da mesma maneira em relação às cargas de processo conhecidas. Como β escala linearmente com a concentração total, as duas alavancas que os formuladores realmente controlam são (1) escolher um pKa próximo ao pH alvo e (2) escolher uma concentração alta o suficiente para sobreviver à carga de ácido/base esperada - ambas as quais esta calculadora permite verificar diretamente.
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Perguntas
Perguntas frequentes
6 perguntas▸
Qual é a fórmula da capacidade tampão?+
β = ln(10)·C·(Ka·[H⁺])/(Ka+[H⁺])², conhecida como equação de Van Slyke, onde C é a concentração total do tampão (mol/L), Ka = 10^(−pKa) e [H⁺] = 10^(−pH).
Em que pH a capacidade tampão é máxima?+
A capacidade do tampão é máxima exatamente em pH = pKa, onde β_max = ln(10)·C/4. Este valor máximo depende apenas da concentração total e não de qual ácido fraco específico é utilizado.
Qual é o alcance efetivo de um buffer?+
Convencionalmente, pKa ± 1 unidade de pH. Fora dessa faixa, a capacidade do buffer cai rapidamente – nas bordas já caiu para cerca de 33% do seu valor máximo.
Quais unidades a capacidade de buffer usa?+
A capacidade tampão (β) é expressa em mol/L por unidade de pH – os moles de ácido ou base forte, por litro de solução, necessários para alterar o pH em exatamente uma unidade.
Uma concentração mais alta significa mais capacidade tampão?+
Sim. A capacidade do tampão é diretamente proporcional à concentração total do tampão – duplicar a concentração duplica β em cada pH, incluindo o máximo.
Um ácido ou base forte pode atuar como tampão?+
Não. Ácidos e bases fortes dissociam-se essencialmente completamente e não mantêm o equilíbrio ácido fraco/base conjugada do qual a equação de Van Slyke e o conceito de capacidade tampão dependem.
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