उभयरोधी विलयन

एक बफर समाधान (अधिक सटीक, पीएच बफर या हाइड्रोजन आयन बफर) कमजोर अम्ल या बेस जलीय घोल होता है जिसमें एक कमजोर एसिड और उसके संयुग्म आधार का मिश्रण होता है, या इसके विपरीत। प्रबल अम्ल या क्षार (रसायन शास्त्र)#मजबूत क्षारों की थोड़ी सी मात्रा इसमें मिलाने पर इसका pH बहुत कम बदलता है। विभिन्न प्रकार के रासायनिक अनुप्रयोगों में लगभग स्थिर मूल्य पर पीएच रखने के साधन के रूप में बफर समाधान का उपयोग किया जाता है। प्रकृति में, कई जीवित प्रणालियाँ हैं जो पीएच विनियमन के लिए बफरिंग का उपयोग करती हैं। उदाहरण के लिए, रक्त के पीएच को विनियमित करने के लिए बाइकार्बोनेट [[जीवित प्रणाली]] का उपयोग किया जाता है, और बाइकार्बोनेट भी महासागर अम्लीकरण के रूप में कार्य करता है।

बफरिंग के सिद्धांत
कमजोर एसिड एचए और इसके संयुग्मित आधार ए के बीच रासायनिक संतुलन के कारण बफर समाधान पीएच परिवर्तन का विरोध करते हैं−:

जब कमजोर अम्ल और उसके संयुग्मी क्षार के साम्य मिश्रण में कुछ प्रबल अम्ल मिलाया जाता है, तो हाइड्रोजन आयन (H+) जोड़े जाते हैं, और ले चेटेलियर के सिद्धांत के अनुसार संतुलन को बाईं ओर स्थानांतरित कर दिया जाता है। इस वजह से, हाइड्रोजन आयन की सांद्रता जोड़े गए मजबूत एसिड की मात्रा के लिए अपेक्षित मात्रा से कम बढ़ जाती है। इसी तरह, यदि मजबूत क्षार को मिश्रण में मिलाया जाता है, तो हाइड्रोजन आयन की सांद्रता जोड़े गए क्षार की मात्रा के लिए अपेक्षित मात्रा से कम हो जाती है। चित्रा 1 में, एसिड पृथक्करण स्थिरांक के साथ एक कमजोर एसिड के सिम्युलेटेड अनुमापन द्वारा प्रभाव को चित्रित किया गया है|pKa= 4.7। असंगठित अम्ल की सापेक्षिक सांद्रता नीले रंग में और इसके संयुग्मी क्षार की लाल रंग में दर्शाई गई है। बफर क्षेत्र में pH अपेक्षाकृत धीरे-धीरे बदलता है, pH = pKa± 1, pH = 4.7 पर केंद्रित है, जहां [HA] = [A -]। हाइड्रोजन आयन की सांद्रता अपेक्षित मात्रा से कम हो जाती है क्योंकि प्रतिक्रिया में जोड़े गए अधिकांश हाइड्रॉक्साइड आयन का सेवन किया जाता है

और न्यूट्रलाइजेशन रिएक्शन में केवल थोड़ी सी खपत होती है (जो प्रतिक्रिया है जिसके परिणामस्वरूप पीएच में वृद्धि होती है)

एक बार जब एसिड 95% से अधिक अवक्षेपण  हो जाता है, तो पीएच तेजी से बढ़ जाता है क्योंकि न्यूट्रलाइजेशन रिएक्शन में अधिकांश अतिरिक्त क्षार का सेवन किया जाता है।

बफर क्षमता
बफर क्षमता एसिड या क्षार एकाग्रता में परिवर्तन के संबंध में बफरिंग एजेंट युक्त समाधान के पीएच में परिवर्तन के प्रतिरोध का एक मात्रात्मक उपाय है। इसे इस प्रकार परिभाषित किया जा सकता है: $$\beta = \frac{dC_b}{d(\mathrm{pH})},$$ कहाँ $$dC_b$$ अतिरिक्त आधार की एक अतिसूक्ष्म राशि है, या $$\beta = -\frac{dC_a}{d(\mathrm{pH})},$$ कहाँ $$dC_a$$ अतिरिक्त अम्ल की एक अतिसूक्ष्म मात्रा है। पीएच को -लॉग के रूप में परिभाषित किया गया है10[एच+], और d(pH) pH में एक अतिसूक्ष्म परिवर्तन है।

किसी भी परिभाषा के साथ एक कमजोर अम्ल HA के लिए पृथक्करण स्थिर K के साथ बफर क्षमताa के रूप में व्यक्त किया जा सकता है

जहां [एच+] हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता है, और $$T_\text{HA}$$ जोड़े गए एसिड की कुल सांद्रता है। कw जल के स्व-आयनीकरण के लिए संतुलन स्थिरांक है, जो 1.0 के बराबर है. ध्यान दें कि समाधान में एच+ हाइड्रोनियम आयन H के रूप में मौजूद है3O+, और आगे हाइड्रोनियम आयन के जल  का पृथक्करण संतुलन पर नगण्य प्रभाव पड़ता है, बहुत अधिक एसिड सांद्रता को छोड़कर।

यह समीकरण दर्शाता है कि बढ़ी हुई बफर क्षमता के तीन क्षेत्र हैं (चित्र 2 देखें)।
 * वक्र के मध्य क्षेत्र में (प्लॉट पर हरे रंग का), दूसरा पद प्रभावी है, और बफर क्षमता pH = pK पर एक स्थानीय अधिकतम तक बढ़ जाती हैa. इस शिखर की ऊँचाई pK के मान पर निर्भर करती हैa. बफर क्षमता नगण्य होती है जब बफरिंग एजेंट की एकाग्रता [एचए] बहुत कम होती है और बफरिंग एजेंट की बढ़ती एकाग्रता के साथ बढ़ जाती है। कुछ लेखक केवल इस क्षेत्र को बफर क्षमता के ग्राफ में दिखाते हैं।  पीएच = पीके पर बफर क्षमता अधिकतम मान के 33% तक गिर जाती हैa पीएच = पीके पर ± 1, से 10%a पीएच = पीके पर ± 1.5 और 1%a ± 2. इस कारण से सबसे उपयोगी सीमा लगभग pK हैa± 1. किसी विशिष्ट pH पर उपयोग के लिए बफर चुनते समय, इसमें एक pK होना चाहिएa मान जितना संभव हो उस पीएच के करीब। * दृढ़ता से अम्लीय समाधानों के साथ, पीएच लगभग 2 से कम (प्लॉट पर लाल रंग), समीकरण में पहला शब्द हावी है, और बफर क्षमता घटते पीएच के साथ तेजी से बढ़ती है: $$\beta \approx 10^{-\mathrm{pH}}.$$ यह इस तथ्य का परिणाम है कि बहुत कम pH पर दूसरा और तीसरा पद नगण्य हो जाता है। यह शब्द बफ़रिंग एजेंट की उपस्थिति या अनुपस्थिति से स्वतंत्र है।
 * दृढ़ता से क्षारीय समाधानों के साथ, पीएच लगभग 12 से अधिक (प्लॉट पर नीला रंग), समीकरण में तीसरा शब्द हावी है, और बफर क्षमता बढ़ती पीएच के साथ तेजी से बढ़ती है: $$\beta \approx 10^{\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_\text{w}}.$$ यह इस तथ्य का परिणाम है कि बहुत उच्च pH पर प्रथम और द्वितीय पद नगण्य हो जाते हैं। यह शब्द बफरिंग एजेंट की उपस्थिति या अनुपस्थिति से भी स्वतंत्र है।

बफ़र्स के अनुप्रयोग
बफरिंग एजेंट वाले समाधान का पीएच केवल एक संकीर्ण सीमा के भीतर भिन्न हो सकता है, भले ही समाधान में और क्या मौजूद हो। जैविक प्रणालियों में एंजाइमों के सही ढंग से कार्य करने के लिए यह एक आवश्यक शर्त है। उदाहरण के लिए, रक्त में कार्बोनिक एसिड (एचb=2}सीओ$3$) और बिकारबोनिट  (HCO$− 3$) रक्त प्लाज़्मा अंश में मौजूद है; यह 7.35 और 7.45 के बीच रक्त के पीएच को बनाए रखने के लिए प्रमुख तंत्र का गठन करता है। इस संकीर्ण सीमा (7.40 ± 0.05 पीएच इकाई) के बाहर, अम्लरक्तता और क्षारीय चयापचय की स्थिति तेजी से विकसित होती है, अंतत: मृत्यु की ओर ले जाती है यदि सही बफरिंग क्षमता तेजी से बहाल नहीं होती है।

यदि किसी घोल का पीएच मान बहुत अधिक बढ़ जाता है या गिर जाता है, तो एक प्रक्रिया में एक एंजाइम की प्रभावशीलता कम हो जाती है, जिसे विकृतीकरण (जैव रसायन) के रूप में जाना जाता है, जो आमतौर पर अपरिवर्तनीय होता है। अनुसंधान में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश जैविक नमूने एक बफर समाधान में रखे जाते हैं, अक्सर पीएच 7.4 पर फॉस्फेट बफर खारा (पीबीएस)।

उद्योग में, बफरिंग एजेंटों का उपयोग किण्वन (जैव रसायन) प्रक्रियाओं में और कपड़ों को रंगने में इस्तेमाल होने वाले रंगों के लिए सही स्थिति निर्धारित करने में किया जाता है। इनका उपयोग रासायनिक विश्लेषण में भी किया जाता है और पीएच मीटर का अंशांकन।

सरल बफरिंग एजेंट

 * {| class="wikitable"

! Buffering agent !! pKa !! Useful pH range एसिड क्षेत्रों में बफर के लिए, विशेष बफरिंग एजेंट के लिए हाइड्रोक्लोरिक एसिड जैसे मजबूत एसिड को जोड़कर पीएच को वांछित मान में समायोजित किया जा सकता है। क्षारीय बफ़र्स के लिए, सोडियम हाइड्रॉक्साइड जैसे एक मजबूत आधार को जोड़ा जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, एक एसिड और उसके संयुग्म आधार के मिश्रण से एक बफर मिश्रण बनाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एसिटिक एसिड और नाजिया  के मिश्रण से एसीटेट बफर बनाया जा सकता है। इसी प्रकार, क्षार और उसके संयुग्मित अम्ल के मिश्रण से एक क्षारीय बफर बनाया जा सकता है।
 * Citric acid || 3.13, 4.76, 6.40 || 2.1–7.4
 * Acetic acid || 4.8 || 3.8–5.8
 * KH2PO4 || 7.2 || 6.2–8.2
 * CHES || 9.3 || 8.3–10.3
 * Borate || 9.24 || 8.25–10.25
 * }
 * CHES || 9.3 || 8.3–10.3
 * Borate || 9.24 || 8.25–10.25
 * }
 * Borate || 9.24 || 8.25–10.25
 * }

यूनिवर्सल बफर मिश्रण
पीके के साथ पदार्थों के संयोजन सेa मान केवल दो या उससे कम से भिन्न होते हैं और पीएच को समायोजित करके बफ़र्स की एक विस्तृत श्रृंखला प्राप्त की जा सकती है। साइट्रिक एसिड बफर मिश्रण का एक उपयोगी घटक है क्योंकि इसमें तीन pK होते हैंa मान, दो से कम से अलग किए गए। अन्य बफरिंग एजेंटों को जोड़कर बफर रेंज को बढ़ाया जा सकता है। निम्नलिखित मिश्रणों (McIlvaine's बफर सॉल्यूशंस) में pH 3 से 8 की बफर रेंज होती है।
 * {| class="wikitable"

! 0.2 M Na2HPO4 (mL) ! 0.1 M citric acid (mL) ! pH पीएच रेंज 2.6 से 12 को कवर करने के लिए साइट्रिक एसिड, मोनोपोटेशियम फॉस्फेट, बोरिक एसिड और बार्बिटॉल  युक्त मिश्रण बनाया जा सकता है। अन्य सार्वभौमिक बफ़र्स कारमोडी बफर हैं और 1931 में विकसित ब्रिटन-रॉबिन्सन बफर।
 * 20.55
 * 79.45
 * style="background:#ff0000; color:white" | 3.0
 * 38.55
 * 61.45
 * style="background:#ff7777; color:white" |4.0
 * 51.50
 * 48.50
 * style="background:#ff7700;" | 5.0
 * 63.15
 * 36.85
 * style="background:#ffff00;" |6.0
 * 82.35
 * 17.65
 * style="background:#007777; color:white" | 7.0
 * 97.25
 * 2.75
 * style="background:#0077ff; color:white" | 8.0
 * }
 * style="background:#007777; color:white" | 7.0
 * 97.25
 * 2.75
 * style="background:#0077ff; color:white" | 8.0
 * }
 * }

जीव विज्ञान में प्रयुक्त सामान्य बफर यौगिक
प्रभावी रेंज के लिए ऊपर #buffer क्षमता देखें। ऐतिहासिक डिजाइन सिद्धांतों और जैव रासायनिक अनुप्रयोगों में इन बफर पदार्थों के अनुकूल गुणों के लिए गुड्स बफर भी देखें।

मोनोप्रोटिक एसिड
पहले संतुलन अभिव्यक्ति लिखिए

इससे पता चलता है कि जब एसिड अलग हो जाता है, तो समान मात्रा में हाइड्रोजन आयन और आयन उत्पन्न होते हैं। इन तीन घटकों की संतुलन सांद्रता की गणना एक ICE तालिका में की जा सकती है (ICE प्रारंभिक, परिवर्तन, संतुलन के लिए खड़ा है)।
 * {| class="wikitable"

! ! [HA] !! [A−] !! [H+] ! I ! C ! E पहली पंक्ति, लेबल I, प्रारंभिक स्थितियों को सूचीबद्ध करती है: अम्ल की सांद्रता C है0, शुरू में अविभाजित, इसलिए ए की सांद्रता- और एच+ शून्य होगा; y हाइड्रोक्लोरिक एसिड जैसे जोड़े गए मजबूत एसिड की प्रारंभिक सांद्रता है। यदि मजबूत क्षार, जैसे सोडियम हाइड्रॉक्साइड, जोड़ा जाता है, तो y का ऋणात्मक चिन्ह होगा क्योंकि क्षार विलयन से हाइड्रोजन आयनों को हटा देता है। दूसरी पंक्ति, जिसे परिवर्तन के लिए 'C' लेबल किया गया है, उन परिवर्तनों को निर्दिष्ट करती है जो अम्ल के वियोजित होने पर होते हैं। एसिड की सघनता -x की मात्रा से कम हो जाती है, और A की सान्द्रता- और एच+ दोनों एक राशि +x से बढ़ते हैं। यह संतुलन अभिव्यक्ति से आता है। तीसरी पंक्ति, जिसे संतुलन के लिए 'E' लेबल किया गया है, पहली दो पंक्तियों को एक साथ जोड़ती है और संतुलन पर सांद्रता दिखाती है।
 * + ICE table for a monoprotic acid
 * C0 || 0 || y
 * −x || x || x
 * C0 − x || x || x + y
 * }

एक्स खोजने के लिए, सांद्रता के संदर्भ में संतुलन स्थिरांक के सूत्र का उपयोग करें:

सांद्रता को ICE तालिका की अंतिम पंक्ति में पाए जाने वाले मानों से प्रतिस्थापित करें: $$K_\text{a} = \frac{x(x + y)}{C_0 - x}.$$ को सरल करें $$x^2 + (K_\text{a} + y) x - K_\text{a} C_0 = 0.$$ सी के लिए विशिष्ट मूल्यों के साथ0, कa और y, इस समीकरण को x के लिए हल किया जा सकता है। यह मानते हुए कि pH = −log10[एच+], पीएच की गणना पीएच = लॉग के रूप में की जा सकती है10(एक्स + वाई)।

पॉलीप्रोटिक एसिड
पॉलीप्रोटिक एसिड ऐसे एसिड होते हैं जो एक से अधिक प्रोटॉन खो सकते हैं। पहले प्रोटॉन के पृथक्करण के लिए स्थिरांक को K के रूप में निरूपित किया जा सकता हैa1, और के के रूप में लगातार प्रोटॉन के पृथक्करण के लिए स्थिरांकa2, आदि। साइट्रिक एसिड एक पॉलीप्रोटिक एसिड एच का एक उदाहरण है3ए, क्योंकि यह तीन प्रोटॉन खो सकता है।
 * {| class="wikitable" style="width: 230px;

! |Equilibrium!!Citric acid जब लगातार pK के बीच का अंतरa मान लगभग 3 से कम है, संतुलन में प्रजातियों के अस्तित्व की पीएच श्रेणी के बीच ओवरलैप है। अंतर जितना छोटा होगा, ओवरलैप उतना ही अधिक होगा। साइट्रिक एसिड के मामले में, ओवरलैप व्यापक है और साइट्रिक एसिड के समाधान पीएच 2.5 से 7.5 की पूरी सीमा पर बफ़र किए जाते हैं।
 * + Stepwise dissociation constants
 * H3A H2A− + H+||pKa1 = 3.13
 * H2A− HA2− + H+|| pKa2 = 4.76
 * HA2− A3− + H+|| pKa3 = 6.40
 * }
 * HA2− A3− + H+|| pKa3 = 6.40
 * }
 * }

एक पॉलीप्रोटिक एसिड के साथ पीएच की गणना के लिए संतुलन स्थिरांक के निर्धारण की आवश्यकता होती है # प्रजातीकरण की गणना की जानी चाहिए। साइट्रिक एसिड के मामले में, इसमें द्रव्यमान संतुलन के दो समीकरणों का समाधान शामिल है:

सीA एसिड की विश्लेषणात्मक एकाग्रता है, सीH जोड़े गए हाइड्रोजन आयनों की विश्लेषणात्मक सांद्रता है, βqसंतुलन स्थिरांक #संचयी और चरणबद्ध गठन स्थिरांक हैं। कw पानी के स्व-आयनीकरण के लिए स्थिर है। दो अज्ञात राशियों में दो अरैखिक समकालिक समीकरण हैं [A3−] और [एच+]। इस गणना को करने के लिए कई कंप्यूटर प्रोग्राम उपलब्ध हैं। साइट्रिक एसिड के लिए प्रजाति आरेख HySS कार्यक्रम के साथ तैयार किया गया था। नायब संचयी, समग्र स्थिरांक की संख्या चरणवार, पृथक्करण स्थिरांक की संख्या के विपरीत है।
 * {| class="wikitable"

! Equilibrium!! Relationship संचयी साहचर्य स्थिरांक का उपयोग सामान्य-उद्देश्य वाले कंप्यूटर प्रोग्राम में किया जाता है, जैसे कि उपरोक्त प्रजाति आरेख प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाता है।
 * + Relationship between cumulative association constant (β) values and stepwise dissociation constant (K) values for a tribasic acid.
 * A3− + H+ AH2+||Log β1= pka3
 * A3− + 2H+ AH2+||Log β2 =pka2 + pka3
 * A3− + 3H+ AH3||Log β3 = pka1 + pka2 + pka3
 * }
 * A3− + 3H+ AH3||Log β3 = pka1 + pka2 + pka3
 * }
 * }

यह भी देखें

 * हेंडरसन-हसलबल्च समीकरण
 * बफरिंग एजेंट
 * अच्छे बफर
 * सामान्य-आयन प्रभाव
 * धातु आयन बफर
 * खनिज रेडॉक्स बफर