زمانی که اسید ضعیف و نمک آن یا باز ضعیف و نمک آن با هم مخلوط شوند، محلول بافر به وجود می­آید که اصطلاحا به آن بافر گفته می­‌شود. مهم‌­ترین خصوصیت محلول­های بافر این است که در صورت اضافه شدن مقدار کمی اسید یا باز قوی، PH محلول تغییری نمی­‌کند. به عبارت دیگر می­‌توان گفت دارای توانایی حفظ PH محلول می­‌باشند. محلول بافر اسیدی دارای PH کمتر از 7 و بافر بازی دارای PH بیشتر از 7 می­‌باشد. به طور کلی برای جلوگیری از تغییرات PH یک محلول، بدون در نظر گرفتن نوع حل­‌شونده، از محلول­‌های بافر استفاده می‌­شود.

نمونه‌­ای از محلول بافر که شامل اسید ضعیف و نمک آن می‌­باشد عبارت است از محلولی از استیک اسید (CH₃COOH) و سدیم استات (CH₃COONa) که مکانیزم واکنش‌­ها در تصویر زیر آمده است

وجود تعادل بین اسید HA و باز مزدوج آن A^– در محلول بافر باعث مقاوم بودن آن­ها نسبت به تغییرات pH می­‌شود. واکنش تعادلی در محلول بافر به صورت زیر است:

ثابت تعادل می­‌تواند قدرت یک اسید ضعیف را نشان دهد. ثابت تعادل تفکیک اسید K_α، نشان­دهنده تمایل یک اسید برای تفکیک­ شدن در یک واکنش است:

هرچقدر در معادله بالا صورت کسر بزرگ­تر باشد، نشان­‌دهنده تمایل واکنش به تشکیل H⁺ بیشتر و کاهش میزان PH محلول است.

همان­طور که می‌­دانیم، بافر، محلول تعادلی اسید ضعیف و باز مزدوج آن است. زمانی که مقداری اسید قوی H⁺ به محلول اضافه شود، بر اساس اصل لوشاتلیه، تعادل به سمت چپ پیش‌روی می­‌کند. این اتفاق باعث جلوگیری از تغییرات زیاد غلظت یون هیدروژن H⁺ می­‌شود. از طرف دیگر، در صورت اضافه شدن باز قوی به محلول، میزان کاهش یون هیدروژن، از مقدار قابل انتظار کمتر می­‌شود.

محلول‌­های بافر، برای ثابت نگه­داشتن PH محلول دارای ظرفیت مشخص هستند. در صورت اضافه کردن مقدار زیادی اسید یا باز به محلول، قابلیت کنترل PH محلول از بین خواهد رفت. بنابراین ظرفیت بافر را می­‌توان این ­گونه تعریف کرد که میزان مشخصی از اسید و باز را می­توان به حجم مشخصی از محلول بافر اضافه کرد تا قبل از این که PH محلول تغییر محسوسی داشته باشد. نکنه قابل توجه این است که ظرفیت یک محلول بافر وابسته به مقدار اسید ضعیف و باز مزدوج آن می‌­باشد.

روش­‌های آماده­‌سازی محلول بافر

برای تولید محلول­‌های بافر از 3 روش استفاده می­‌شود.

1. ابتدا اسید بافر در آب حل می­‌شود. مقدار آب موجود در محلول باید 60 درصد حجم محلول نهایی باشد. پس آز آن PH محلول اندازه­‌گیری می­‌شود. حال برای بدست آوردن PH موردنظر از از یک باز قوی مانند NaOH استفاده می­‌شود. اگر در ابتدا یک باز به آب اضافه شده باشد، در آخر برای رسیدن به PH مورد نظر از یک اسید قوی مانند HCl استفاده می­‌شود.
2. در این حالت محلول در 2 حالت اسیدی و بازی تشکیل می­‌شود که غلظت هر کدام از آن­ها یکسان و برابر با غلظت نهایی محلول بافر می­‌باشد. حال یکی از محلول­‌ها را با کنترل میزان PH به دیگری اضافه می­‌شود تا به محلول نهایی بافر برسد.
3. استفاده از معادله “هندرسون-هاسلبالخ” (Henderson-Hasselbalch) روش سوم می‌­باشد که با استفاده از آن می­توان میزان دقیق اسید و باز مزدوج برای ایجاد محلول بافر با PH مشخص را بدست آورد.

pH: غلظت یون هیدروژن [H⁺]

pK_α: ثابت تفکیک اسید

[A-] و [HA]: غلظت­‌های باز مزدوج و اسید

انتخاب محلول بافر مناسب

برای انتخاب محلول بافر مناسب، باید 2 قانون را مد نظر قرار داد:

1. محلول بافر باید غلظت‌­های یکسان از هر 2 جزء داشته باشد. به طور کلی اگر مقدار یکی از اجزاء کمتر از 10 درصد جزء دیگر باشد، محلول کارایی خود را از دست می‌­دهد.
2. برای بافر با PH کمتر از 7 از اسیدهای ضعیف و نمک‌­های آن­‌ها استفاده می­‌شود. از طرف دیگر برای تولید محلول­‌های بافر با PH بیشتر از 7 از بازهای ضعیف و نمک­‌هایشان استفاده می­‌شود.

شرایط نگهداری محلول بافر

معمولا عمر محلول­‌های تجاری حدود 2 سال می­‌باشد ولی اگر ظرف محلول باز شود، مدت زمان استفاده آن به 3 الی 6 ماه کاهش می­‌یابد. بافرهای قلیایی که PH بیشتر از 10 دارند به دلیل تغییر در اثر تماس با دی­ اکسید کربن (CO₂)، زمان نگهداری محدودتر (در حد 1 ماه) دارند. به طور کلی بهتر است محلول­‌های بافر را در بطری یا بالون­‌های مخصوص و یا ظروف مخصوص پلاستیکی، در دمای 15 الی 25 درجه سانتی­گراد نگهداری شوند.

کاربرد محلول­‌های بافر

از کاربردهای اصلی محلول‌­های بافر، کنترل PH آنزیم‌­ها در ارگانیسم­‌های مختلف می‌­باشد. عملکرد تعدادی از آنزیم­‌ها فقط در شرایط خاص PH صورت می­‌گیرد، بنابراین در صورت تغییر PH محلول، امکان کاهش سرعت عملکرد آنزیم‌­ها و یا توقف کامل آن­ها وجود دارد. گاهی اوقات این مورد باعث می­‌شود که آنزیم­‌ها به طور کامل فعالیت کاتالیزوری خود را از دست بدهند. معروف­‌ترین نوع محلول بافر، خون می­‌باشد. در پلاسمای خون بافر کربنیک اسید (H₂CO₃) و بی­کربنات (HCO₃^–) وجود دارد که PH خون را بین 7.45-7.35 حفظ می­‌کند. استفاده دیگر آن در بیولوژی است. برای تنظیم عملکرد پروتئین­‌ها و حفظ PH محلول از محلول­‌های بافر استفاده می­‌شود. اگر مقدار PH از محدوده موردنظر پروتئین خارج شود، پروتئین می‌­شکند و عملکرد آن متوقف خواهد شد.

محلول­‌های بافر در صنعت نیز استفاده می­‌شوند. از جمله فرآیندهای تخمیری و صنعت نساجی که باعث کمک به تنظیم شرایط مناسب برای رنگ­‌های مورد استفاده در الیاف می­‌شوند. کاربرد دیگر آن­ها در آنالیزهای شیمیایی و کالیبره کردن PHسنج‌­ها می‌­باشد. همچنین می­توان در آبکاری، تهیه چرم، مواد عکاسی و رنگ­‌ها از محلول­‌های بافر بهره برد.