पानी में नींबू के रस की कुछ बूँदें डालते ही उसका स्वाद खट्टा हो जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि थोड़ा-सा अम्ल मिलाने पर भी पानी की अम्लता बहुत बदल जाती है। लेकिन हमारे शरीर में भोजन करने और व्यायाम करने से लगातार अम्ल बनते रहने के बावजूद रक्त का pH 7.35 से 7.45 के बीच की बहुत संकरी सीमा से बाहर नहीं जाता। ऐसे विलयन को, जो अम्ल या क्षार मिलाने पर भी pH को स्थिर बनाए रखता है, ‘बफर विलयन (Buffer Solution)’ कहते हैं।
बफर विलयन ऐसा विलयन होता है जिसमें दुर्बल अम्ल और उसका संयुग्मी क्षार, या दुर्बल क्षार और उसका संयुग्मी अम्ल साथ में घुले होते हैं, जिससे थोड़ा अम्ल या क्षार मिलाने पर भी pH लगभग नहीं बदलता। डेनमार्क के रसायनज्ञ सोरेन सोरेनसन ने जब 1909 में pH का पैमाना प्रस्तावित किया, उसी समय के आसपास ‘बफर’ शब्द का भी व्यापक उपयोग शुरू हुआ। आज इस सिद्धांत का उपयोग जीवन बनाए रखने से लेकर औषधियों, सौंदर्य प्रसाधनों और प्रयोगशालाओं तक में होता है।
इस सामग्री में बफर विलयन का अर्थ और उसकी कार्यप्रणाली, pH की गणना की विधि, हमारे शरीर में होने वाली बफर क्रिया तथा दैनिक जीवन और उद्योग में उसके उपयोग के उदाहरण सरल ढंग से समझाए गए हैं।
बफर विलयन के सिद्धांत और उपयोग
बफर विलयन क्या है?
शुद्ध पानी का pH 7 होता है, लेकिन उसमें थोड़ा-सा अम्ल या क्षार मिलाने पर भी pH बहुत बदल जाता है। इसके विपरीत, बफर विलयन में उतनी ही मात्रा मिलाने पर pH लगभग वैसा ही रहता है। इसका रहस्य यह है कि उसमें मिलाए गए अम्ल और क्षार को सँभालने वाले अलग-अलग घटक पहले से साथ मौजूद होते हैं।
(1) दुर्बल अम्ल और संयुग्मी क्षार की जोड़ी
इसका एक प्रमुख उदाहरण ऐसीटिक अम्ल और सोडियम ऐसीटेट को मिलाकर बनाया गया विलयन है। ऐसीटिक अम्ल एक दुर्बल अम्ल है जो हाइड्रोजन आयन दे सकता है, जबकि ऐसीटेट आयन एक संयुग्मी क्षार है जो हाइड्रोजन आयन ग्रहण कर सकता है।
(2) बफर विलयन के प्रकार
जोड़ी के रूप में इस्तेमाल किए जाने वाले घटकों के आधार पर बफर विलयन को दो प्रकारों में बाँटा जा सकता है।
- अम्लीय बफर विलयन (Acidic Buffer): यह दुर्बल अम्ल और उसके संयुग्मी क्षार से बनाया जाता है और ऐसीटिक अम्ल तथा सोडियम ऐसीटेट की तरह pH को 7 से नीचे की सीमा में बनाए रखता है।
- क्षारीय बफर विलयन (Basic Buffer): यह दुर्बल क्षार और उसके संयुग्मी अम्ल से बनाया जाता है और अमोनिया तथा अमोनियम क्लोराइड की तरह pH को 7 से ऊपर की सीमा में बनाए रखता है।
बफर विलयन pH को कैसे स्थिर रखता है?
बफर विलयन के दोनों घटक ऐसे काम करते हैं जैसे दोनों ओर पहरा देने वाले द्वारपाल। घुसपैठिया किसी भी ओर से आए, उस ओर का उपयुक्त द्वारपाल आगे बढ़कर उसे पकड़ लेता है।
(1) जब अम्ल मिलाया जाता है
हाइड्रोक्लोरिक अम्ल जैसा प्रबल अम्ल मिलाने पर हाइड्रोजन आयनों की मात्रा बढ़ती है। ऐसे में संयुग्मी क्षार, ऐसीटेट आयन, हाइड्रोजन आयनों से जुड़कर दुर्बल अम्ल, ऐसीटिक अम्ल, में बदल जाता है, इसलिए मुक्त हाइड्रोजन आयनों की मात्रा बहुत नहीं बढ़ती।
(2) जब क्षार मिलाया जाता है
सोडियम हाइड्रॉक्साइड जैसा प्रबल क्षार मिलाने पर हाइड्रॉक्साइड आयनों की मात्रा बढ़ती है। इस बार ऐसीटिक अम्ल हाइड्रोजन आयन देता है, जो हाइड्रॉक्साइड आयनों के साथ मिलकर पानी बनाते हैं, इसलिए pH लगभग नहीं बढ़ता।
(3) हेंडरसन–हैसलबाल्क समीकरण
1908 में अमेरिकी जैव रसायनज्ञ लॉरेंस हेंडरसन ने बफर विलयन के घटकों और हाइड्रोजन आयन की सांद्रता के बीच संबंध को एक समीकरण में व्यक्त किया और 1916 में डेनमार्क के कार्ल हैसलबाल्क ने उसे pH के रूप में बदला। यह समीकरण pH = pKa + log([संयुग्मी क्षार] ÷ [दुर्बल अम्ल]) है। दोनों घटकों की मात्रा समान होने पर pH उस अम्ल के pKa के बराबर होता है, जो ऐसीटिक अम्ल के लिए लगभग 4.76 है। बफर प्रभाव सबसे अच्छा तब होता है जब pH, pKa से लगभग 1 ऊपर या नीचे की सीमा के भीतर हो।
हमारा शरीर pH को कैसे स्थिर रखता है?
हमारा शरीर अपने आप में एक विशाल बफर व्यवस्था है। कोशिकीय श्वसन से बनने वाली कार्बन डाइऑक्साइड पानी में घुलकर कार्बोनिक अम्ल बन जाती है। यदि इस अम्ल को सँभाला न जाए, तो रक्त जल्द ही अम्लीय होने लगेगा।
(1) कार्बोनिक अम्ल–हाइड्रोजन कार्बोनेट आयन बफर तंत्र
रक्त की सबसे महत्वपूर्ण बफर व्यवस्था कार्बोनिक अम्ल और हाइड्रोजन कार्बोनेट आयन की जोड़ी है। सामान्य रक्त में हाइड्रोजन कार्बोनेट आयन की मात्रा घुली हुई कार्बन डाइऑक्साइड से लगभग 20 गुना होती है, जिससे pH लगभग 7.4 पर बना रहता है।
(2) फेफड़ों और गुर्दों का सहयोग
यह बफर तंत्र विशेष रूप से शक्तिशाली है क्योंकि शरीर स्वयं दोनों घटकों को सीधे नियंत्रित करता है। फेफड़े तेज या धीमी साँस लेकर बाहर निकाली जाने वाली कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा बदलते हैं, और गुर्दे हाइड्रोजन कार्बोनेट आयनों को दोबारा अवशोषित करके या बाहर निकालकर संतुलन बनाए रखते हैं।
(3) अन्य बफर तंत्र
कोशिकाओं के भीतर फॉस्फेट बफर तंत्र और रक्त में हीमोग्लोबिन जैसे प्रोटीन भी हाइड्रोजन आयनों को ग्रहण करके pH को स्थिर रखने में साथ देते हैं।
बफर विलयन कहाँ इस्तेमाल होते हैं?
जहाँ भी pH में मामूली बदलाव से परिणाम बदल सकते हैं, वहाँ बफर विलयन का उपयोग किया जाता है।
- औषधियाँ (Pharmaceuticals): आँखों की दवा या इंजेक्शन का pH आँसुओं और रक्त के pH के अनुरूप होना चाहिए, ताकि जलन कम हो और दवा का प्रभाव लंबे समय तक बना रहे। इसलिए उनमें बफर घटक मिलाए जाते हैं।
- सौंदर्य प्रसाधन (Cosmetics): शैंपू और चेहरा धोने वाले उत्पादों का pH साइट्रिक अम्ल जैसे घटकों से समायोजित किया जाता है, ताकि वे त्वचा और सिर की त्वचा के अनुकूल हल्के अम्लीय बने रहें।
- जीवन विज्ञान अनुसंधान (Life Science Research): एंजाइम और प्रोटीन pH के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं, इसलिए प्रयोगों में उन्हें फॉस्फेट बफरयुक्त लवणीय विलयन जैसे विलयनों में रखा जाता है।
- खाद्य प्रसंस्करण (Food Processing): पेय या जैम बनाते समय बफर घटकों से खट्टापन, रंग और संरक्षण क्षमता स्थिर रखी जाती है।
हालाँकि, बफर विलयन की भी एक सीमा होती है। मिलाए गए अम्ल या क्षार की मात्रा बफर घटकों की मात्रा से अधिक हो जाने पर वह बदलाव को रोक नहीं पाता और pH तेजी से बदलता है। इस सीमा को बफर क्षमता कहते हैं, और घटकों की सांद्रता जितनी अधिक होती है, यह उतनी ही बढ़ती है।
बफर विलयन दिखाता है कि तीव्र बदलावों के बीच भी स्थिर बने रहने की शक्ति पहले से तैयार जोड़ी से आती है। जैसे हमारा शरीर हर क्षण अम्ल और क्षार का संतुलन बनाए रखता है, वैसे ही बदलावों को सँभालने की गुंजाइश बनाए रखना महत्वपूर्ण है।
उतार-चढ़ाव को सँभालने की तैयारी पहले से कर लेना ही स्थिरता बनाए रखने की समझदारी की ओर पहला कदम है।
