Buffers zijn waterige systemen die bestand zijn tegen veranderingen in pH wanneer kleine hoeveelheden zuur of base worden toegevoegd en zijn samengesteld uit een zwak zuur en de geconjugeerde base. Een buffer houdt de pH van een oplossing constant door protonen te absorberen die vrijkomen tijdens reacties of door protonen vrij te geven wanneer ze worden verbruikt door reacties. De ontdekking dat gedeeltelijk geneutraliseerde oplossingen van zwakke zuren of basen bestand zijn tegen veranderingen in pH, wanneer kleine hoeveelheden sterke zuren of basen worden toegevoegd, leidde tot het concept van de 'buffer'.

Een geconjugeerde base is een zuur dat een proton heeft verloren.
HA  ↔  H⁺ + A^-
Zuur  ↔  proton + geconjugeerde base

Een geconjugeerd zuur is een base die een proton heeft gekregen.
A + H ⁺  ↔  H ⁺ A
Base + protonconjugatiezuur  ↔  

Er wordt een evenwicht bereikt tussen de gedissocieerde en de niet-gedissocieerde vorm.
Zwak azijnzuur dissocieert bijvoorbeeld gedeeltelijk in water en produceert een acetaation:
CH₃COOH  ↔  H⁺ + CH₃COO^-
Het niet-gedissocieerde azijnzuur, de waterstofionen en het gedissocieerde ion bestaan in evenwicht in oplossing.

Natriumacetaat dissocieert ook in water om hetzelfde acetaation te produceren:
CH₃COONa  ↔  Na⁺ + CH₃COO^-
Het niet-gedissocieerde natriumacetaat en de ionen van natrium en acetaat bestaan in evenwicht in oplossing.

Een waterige oplossing van een mengsel van azijnzuur en natriumacetaat kan daarom H^+- ionen absorberen door de toevoeging van een zuur door de waterstofionen te combineren met de acetaatbase om azijnzuur te produceren. Bovendien, wanneer ^OH-ionen in de oplossing worden geïntroduceerd door de toevoeging van een alkali, combineren ze met zure moleculen (H⁺) om water te produceren. Op deze manier, terwijl het systeem probeert het evenwicht te herstellen, is de oplossing bestand tegen veranderingen in de pH-waarde. Dit is hoe een bufferoplossing werkt.

Wat gebeurt er na het toevoegen van zuur aan de buffer?

Wanneer een sterk zuur (meer H+) wordt toegevoegd aan een evenwichtsmengsel van het zwakke zuur en de geconjugeerde base, wordt het evenwicht naar links verschoven, in overeenstemming met het principe van Le Chatelier.

Wat gebeurt er na het toevoegen van een base aan de buffer?

Eveneens, als een sterke base aan het mengsel wordt toegevoegd, neemt de waterstofionenconcentratie minder af dan de verwachte hoeveelheid voor de toegevoegde hoeveelheid base. Dit komt omdat de reactie naar rechts verschuift om rekening te houden met het verlies van H⁺ in de reactie met de base.

Bufferoplossingen bestaande uit een zwak zuur en zijn geconjugeerde base staan bekend als zure buffers en hebben een pH < 7. Een buffer gemaakt met azijnzuur (zwak zuur) en natriumacetaat (geconjugeerde base) is een zure buffer en heeft een pH van ongeveer 4,75.
Bufferoplossingen bestaande uit een zwakke base en het geconjugeerde zuur daarvan staan bekend als alkalische buffers en hebben een pH > 7. Een voorbeeld van een alkalische buffer is een waterige oplossing van ammoniumhydroxide (zwakke base) en ammoniumchloride (geconjugeerd zuur) met een pH van 9,25.

Bufferoplossingen werken het beste wanneer hun pH vergelijkbaar is met die van het systeem of de oplossing die wordt onderzocht. Bij de studie van enzymen in de menselijke biologie is een systeem nodig dat overeenkomt met de pH van het bloed, d.w.z. 7,35 tot 7,45, anders zullen de enzymen niet correct functioneren. Als het buffersysteem een pH heeft die buiten het gewenste bereik ligt, heeft dit ook een negatieve invloed op de analyses.

Het is daarom noodzakelijk om bufferoplossingen van een specifieke pH te kunnen bereiden en dit kan op verschillende manieren:

• pH-aanpassing
  Het kristallijne zuur of de kristallijn base wordt eerst opgelost in een hoeveelheid water die overeenkomt met ongeveer 60-70% van het uiteindelijke vereiste volume bufferoplossing. De pH wordt getest en vervolgens aangepast. Als een kristallijn zuur wordt gebruikt, wordt de pH aangepast met behulp van een base die geen ionen genereert die het onderzochte systeem kunnen verstoren. Als een kristallijne base wordt gebruikt, wordt de pH aangepast met behulp van een geschikt zuur. Zodra de gewenste pH is bereikt, kan het volume van de bufferoplossing worden bijgevuld met water om het vereiste volume te verkrijgen.
  
  
• Mengen van zuur- en basische oplossingen
  Bij deze methode wordt een oplossing van het zuur of de base gemengd met een oplossing van het bijbehorende zout. De concentraties van de bronoplossingen moeten gelijk zijn aan die van de vereiste bufferoplossing. De oplossingen kunnen in verschillende verhoudingen worden gemengd om verschillende pH-waarden in de uiteindelijke bufferoplossing te bereiken. Als alternatief kan de pH worden gecontroleerd terwijl de ene oplossing aan de andere wordt toegevoegd.
  
  
• Met behulp van de Henderson-Hasselbach-vergelijking
  De Henderson-Hasselbach-vergelijking kan worden gebruikt om de pH van een bufferoplossing te schatten met behulp van de dissociatieconstante, pK_a. Wanneer een zwak zuur (HA) in oplossing is en de dissociatie in waterstofionen (H⁺) en zijn geconjugeerde base (A^-) in evenwicht is, is de dissociatieconstante een maat voor de sterkte van het zuur op dit evenwichtspunt. De Henderson-Hasselbach-vergelijking is als volgt: 



Waarbij: pKa de dissociatieconstante van het zwakke zuur is
[A-] is de concentratie van de geconjugeerde base bij evenwicht
[HA] is de concentratie van het zuur in evenwicht

In het geval dat de concentratie bij evenwicht van de geconjugeerde base en het zuur gelijk is, wordt de pH gelijk aan de dissociatieconstante. Op dit punt biedt de bufferoplossing de maximale buffercapaciteit.
De Henderson-Hasselbach-vergelijking wordt ook gebruikt voor het bepalen van de dissociatieconstante van zwakke zuren via directe meting van de pH

Universele bufferoplossingen bestaan uit een combinatie van verschillende zuur-base paren. Dit stelt universele buffers in staat om de pH-waarde van een oplossing over een breder bereik te behouden en kan daarom in veel meer toepassingen worden gebruikt.

• Een SOP voor buffer voorbereiding maken
  Het is aan te bevelen om het proces voor de voorbereiding van de buffer te documenteren en ervoor te zorgen dat iedereen dezelfde procedure volgt om consistentie en reproduceerbaarheid te waarborgen. De SOP moet details bevatten over de gebruikte materialen en de precieze stappen van wanneer en hoe de componenten moeten worden toegevoegd en de pH moet worden gemeten. De SOP kan ook veel van de hieronder genoemde punten bevatten.
  
  
• Draag beschermende kleding
  Er moeten geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM's) worden gedragen, bijvoorbeeld veiligheidsbrillen en kleding, vooral bij het werken met sterke zuren of basen.
  
  
• Controleren op microbiële besmetting (vooral in biologische toepassingen)
  Voordat u een buffer gebruikt, moet u de container controleren op microbiële besmetting. Bufferoplossingen met een pH die dicht bij neutraal ligt, zijn bijzonder gevoelig voor verontreiniging. U kunt wat troebelheid in de oplossing zien of verontreinigingen die zich op de bodem hebben genesteld.
  
  
• Gebruik uw pH-meter op de juiste manier
  Uw pH-meter moet regelmatig worden gekalibreerd en onderhouden om nauwkeurige pH-metingen te garanderen. De elektrode moet voor gebruik goed worden voorbereid en er moet voldoende bufferoplossing worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de elektrodejunctie correct wordt ondergedompeld. Zorg ervoor dat u wacht op een stabiele pH-waarde voordat u de meting uitvoert en spoel de elektrode daarna af met gedestilleerd water. Zorg ervoor dat u uw pH-meter bij de omgevingstemperatuur gebruikt of gebruik een elektrode met geïntegreerde temperatuursonde.
  
  
• Houd rekening met de temperatuur
  De mate van dissociatie kan variëren afhankelijk van de temperatuur. Uw bufferoplossing moet daarom worden bereid op dezelfde temperatuur waarop u uw analyses gaat uitvoeren. Zorg er ook voor dat de temperatuur waarbij u de elektrode kalibreert hetzelfde is als de temperatuur waarbij u meet.
  
  
• Wees je bewust van de concentratie
  Het is gebruikelijk om voorraadbufferoplossingen te verdunnen tot de vereiste concentratie voor gebruik in analyses. Het veranderen van de concentratie kan echter van invloed zijn op de mate van dissociatie. Aangezien pH een maat is voor waterstofionen (H⁺), kan een verandering in dissociatie een verandering in pH veroorzaken. Na verdunning moet de pH opnieuw worden gecontroleerd voordat de buffer wordt gebruikt.