Asitlik ve bazlık değişmelerine karşı direnen yani az miktarda kuvvetli asit veya kuvvetli baz ilavesiyle pH si yaklaşık olarak sabit kalan çözeltilere tampon çözeltiler ; bu direnmeye de tampon etkisi denir. Bunlar genellikle zayıf asit veya bazlarla bunların kuvvetli tuzlarının karışı-mıdır. Örneğin asetik asit ile sodyum asetat ; amonyak ile amonyum klorür karışımı gibi. Asetik asit-asetat tamponunda H+ veya OH- eklenirse aşağıdaki nötralleşme tepkimeleri görülür.

H+ + AcO- → HOAc
OH- + AcOH → H2O + AcO-

Benzer şekilde amonyak-amonyum klorür tamponu için

H+ + NH3 → NH4+
OH- + NH4+ → H2O + NH3

tepkimeleri yazılabilir. Bununla beraber bir poliprotik asidin çeşitli nötralleşme derecelerine malik tuzlarından ( örneğin NaH2PO4 ve Na2HPO4 karışımı ) yararlanılabildiği gibi zayıf bir asitle başka bir asidin tuzundan ibaret sistemlerden de ( örneğin sitrik asit ve sodyum fosfat gibi ) yararlanılır.
Zayıf bir asitle ( HA ) tuzunun ( A- ) tampon etkisi hidrojen iyonlarının zayıf asidin A- bazı ile birleşerek iyonlaşmış HA moleküllerini vermesiyle açıklanır:

A- + H3O+ H2O + HA

Oysaki OH- iyonları

OH- + HA H2O + A-

denklemine göre yer değiştirmiş olurlar. Tampon zayıf bir B bazı ile tuzu karışımından ibaret ise dengeler şöyledir :

H3O+ + B H2O + BH+
OH- + BH+ B + H2O

Örneğin zayıf bir asitle ( HA ) bunun kuvvetli biz bazla verdiği B+A- tuzu karışımından ibaret tampon sistemi düşünelim. Asidin protolizi şöyledir:

HA + H2O H3O+ + A-


Kütlenin etkisi kanunu uygulandığında

[H3O+] [A-] [HA]
ka = ; [H3O+] = ka
[HA] [A-]

Buradan ;
[HA]
- log [H3O+] = - log ka - log
[A-]

veya
[A-]
pH = pka + log (1.1)
[HA]

bulunur. Oysaki [A-] = [Tuz] ve [HA] = [Asit] olduğundan;


[Tuz]
pH = pka + log (1.2)
[Asit]



olur ve Henderson denklemi adını taşır. Bu denklem 10 > pH > 4 arasında seyreltik çözeltilere uygulanır.

TAMPON GÜCÜ

Bir tampon çözeltiye dB ekivalan / litre kadar kuvvetli bazdan veta kuvvetli asitten ilâve edildiğinde ph değişmesi dpH ise

dB
ß =
dpH

diferensiyel oranına tampon gücü veya değeri denir. O halde tampon gücü pH nin birim kadar değişmesi için ilâvesi gereken baz yahut asit miktarıdır dB ye karşı pH değişmesi ne kadar az is ise tampon gücü de o kadar büyük yani pH o kadar sabittir. Bir tampon sisteminin tampon gücü tuz konsantrasyonunun asit konsantrasyonuna oranı 10 ile 1/10 arasında olduğu zaman en elverişlidir. Bu ise pH = pka ±1e karşındır. O halde bir asit-baz tampon çözeltisinin yararlı pH tampon aralığı pka ±1 olarak alınabilir. Eğer deniş bir pH tampon aralığını kaplayacak tampon çözelti hazırlanmak istenirse bir sıra zayıf asit seçmek gerekir ki bunların pka ları 2pH biriminden fazla fark etmemiş olsun. Buna göre maksimum tampon gücü ve belli pH li tampon çözelti hazırlamak için öyle bir asit seçmek gerekir ki asidin pka sı istenilen pH ye eşit veya mümkün mertebe yakın olsun. Bu halde [Tuz] / [Asit] oranı 10 > pH > 4 halinde (1.1) den hesaplanır. Tampon gücü bakımından önemli olan bir başka faktör de asit ve tuzun konsantrasyonlarıdır. Çözeltinin derişikliğinin fazlalığı oranında ve [Tuz] / [Asit] = 1/1 halinde tampon gücü fazladır.

KONU İLE İLGİLİ ÖRNEKLER

Örnek-1) 25oC da 01 M asetik asit ve 01 M sodyum asetat karışımının pH si ne kadardır? (ka =18 . 10-5)
Çözüm: 01
pH = 474 + log = 474
01

Örnek-2) NaH2PO4 ve Na2HPO4 oranı ne olmalıdır ki tampon çözeltinin pH si 710 olsun?
(pk1=721)
Çözüm:
Denge reaksiyonu HPO4= + H+ H2PO4- olup HPO4= iyonu tuzu H2PO4- de asidi verir. (1.2) den
[Na2HPO4]
710 = 721 + log
[NaH2PO4]
[Na2HPO4]
= antilog ( - 011 ) = antilog 189 = 0776
[NaH2PO4]
bulunur.

Örnek-3) pH si 40 olan bir tampon çözelti hazırlamak isteniyor. Maksimum tampon güçlü bir çözelti hazırlamak için
aşağıda verilen asit ve tuzlarından hangisi kullanılmalıdır?
Bu halde [Tuz] / [Asit] oranı ne olacaktır?
Asit ka
Asetik asit 18 . 10-5
Formik asit 21 . 10-4
Benzoik asit 65 . 10-5

Çözüm:
Yukarıdaki asitlerin pka ları 474 ; 37 ; ve 417 dir. Seçilecek asit öyle olmalıdır ki pka sı 40 e yakın olsun. O halde en uygunu benzoik asittir.
(1.2) ye göre
[Tuz]
40 = 417 + log den [Tuz] / [Asit] oranı = 66/100 bulunur.
[Asit]


Örnek-4) Litrede 1) 0000018 M HCl ; 2) 01 M asetik asit ve 01 M sodyum asetat içeren çözeltilerin pH lerini hesaplayınız. 3) Bu çözeltilerin birer litresine 0000018 M NaOH ilâve edildiğinde yeni pH leri bulunuz. (ka= 18 . 10-5)
Çözüm:
pH = - log [H2O+] = - log 18 . 10-5 = 474

(1.2) den
01
pH = 474 + log = 474
01

Bu çözeltilerin bir litresine 0000018 M NaOH ilâve edildiğinde HCl halinde tam nötrelleşme olduğundan pH = 70 olur. Asetik asit ve tuzu karışımında ise

01 + 0000018
pH = 474 + log ~ 474
01 – 0000018

Görülüyor ki aynı miktar NaOH ilavesiyle HCl çözeltisi tampon olmadığından pH 226 pH birimi kadar artmış ; oysaki ikinci halde tampon olduğundan pH 0001 pH biriminden daha az değişmiştir.

Örnek-5) Bir çözeltide sodyum asetat ( NaAc ) ve asetik asidin ( HAc ) konsantrasyonları ne olmalıdır ki [H3O+] = 10-4 iyon g / litre olsun? ( ka = 185 . 10-5 )
Çözüm:
(1.2) den
[NaAc]
= 474 + log
[HAc]

[NaAc] / [HAc] = 018 bulunur. O halde [Tuz] / [Asit] oranı 018 olduğunda [H3O+] = 10-4 dür. Şu oranlar alınabilir ;

[NaAc] = 018 M [HAc] = 1 M
[NaAc] = 00018 M [HAc] = 01 M
[NaAc] = 18 . 10-4 M [HAc] = 10 . 10-4 M

Bu sonuncu olmaz çünkü çok seyreltiktir.

Örnek-6) 100cm3 06 M NH3 çözeltisi ve 150cm3 03 M NH3Cl çözeltisi karıştırılarak bir tampon çözelti hazırlanmıştır.
Tamponun pH’sı nedir?
0001 mol asetik asit katılırsa pH ne olacaktır?
Çözüm:
Bu bazlı tampon içi OH- derişimi NH3 için ka yı veren eşitlikten bulunabilir:

NH3 + H2O NH4+ + OH-

ka = [NH4+] [OH-] / [NH3]

[OH-] = ka [NH3] / [NH4+]

NH3 ve NH4+ derişimleri

NH3 mol sayısı = 06 mol dm-3 x 01 dm3 = 006 mol
NH4+ mol sayısı = 03 mol dm-3 x 015 dm3 = 0045 mol
[NH3] = 006 mol / 025 dm3 = 024 M
[NH4+] = 0045 mol / 025 dm3 = 018 M

olduğuna göre

[OH-] = 18 x 10-5 x ( 024 / 018 )
= 24 x 10-5 M

ve

pOH = 462
pH = 038

bulunur.
Bu bazlı tamponda asit

H+ + NH3 → NH4+

tepkimesi ile nötralleşir. Katılan asidin derişimi

0001 mol / 025 dm3 = 004 M

dır. O halde NH3 ve NH4+ yeni derişimleri

[NH3] = 024 - 004 = 020 M
[NH4+] = 018 + 004 = 022 M

olacaktır. Yeni OH- ise

[OH-] = 18 x 10-5 x ( 020 / 022 ) = 16 x 10-5 M
ve yeni
pOH = 480
pH = 920

bulunur. Yani pH değişikliği yalnız 018 pH birimi kadardır.

SEYRELTME DEĞERİ ve TUZ ETKİSİ

Bir tampon çözelti eşit hacimde su ile seyreltildiğinde pH artmasına seyreltme değeri denir.
∆pH1/2 = ( pH )1/2 e – ( pH )e

Seyreltme değeri de tampon gücü kadar önemlidir çünkü pratikte tampon değerinin seyreltme ile pH sinin değişmemesi istenir. Asidin değerliğinin büyüklüğü oranında seyreltme ile pH değişmesi o kadar fazladır.
Bir tampon çözeltiye nötral tuz ilâve edilirse iyonik kuvvet artar aktivite katsayısı azalır ve bunun sonucunda çözeltinin pH si küçülür. Tuz etkisi seyreltme etkisinin tersidir. Bir tampon sistemin pratik değeri
Asit yahut baz ilâvesine;
Seyreltmeğe;
3) Nötral tuz ilâvesine karşı denemesi ile belli olur. Sıcaklık değişimi de tampon çözeltinin pH sini değiştirir.

KANDAKİ TAMPONLAR

Normal insan kanının pH si 735 olup biraz baziktir. pH nin bu normal değerden 01 pH birimi kadar sapması ciddi patolojik rahatsızlıklara sebep olur. Örneğin diyabetik komada kanın pH si 682 ye düşer. Kanda mevcut bazı tampon sistemler kanın pH sini normal değerinde sabit tutar. En önemli tampon ikilileri;

H2CO3 B+H2PO4-
B+HCO3- B2+HPO42-

dir. Burada B+; sodyum yahut potasyum gibi değerli bir katyondur. Bu ve daha başka tampon sistemler kanda asit-baz dengesini sağlar. Karbonik asit – bikarbonat tampon sistemi halinde kanda hidroksonyum iyonunun artışı

H3O+ + HCO8- H2CO8 + H2O

reaksiyonunu soldan sağa doğru yürütür; husule gelen karbonik asit ve karbon dioksite ayrışır. OH- iyonlarının artışı ise

H2CO8 + OH- HCO8- + H2O

reaksiyonunda absorplanır.



KULLANIM ALANLARI

Tampon çözeltilerin kullanılma ve uygulanma alanları çok geniştir. Biyokimyasal tepkimelerin çoğunda tepkimenin istenen yönde yürümesi için pH’ının sabit kalması gereklidir.
Örneğin kanda pH sabit tutmak için diğer sistemlerin yanısıra karbonik asit – bikarbonat tamponu bulunur. Laboratuvarda anorganik ve organik kimyasal tepkimeler tepkimede harcanan veya oluşan asitlerin ve bazların yaz etkilerini azaltmak için gerektiği zaman tamponlanmış çözeltilerde yapılır.