ความสามารถในการบัฟเฟอร์เป็นการวัดเชิงปริมาณของความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของสารละลายที่มีสารบัฟเฟอร์เมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของกรดหรือด่าง สามารถกำหนดได้ดังนี้: ^{[ 2 ] [ 3 ]} โดยที่คือปริมาณเบสที่เติมเข้าไปเพียงเล็กน้อย หรือ โดยที่คือปริมาณกรดที่เติมเข้าไปเพียงเล็กน้อย ค่า pH ถูกกำหนดให้เป็น −log [H ⁺ ] และd (pH) คือการเปลี่ยนแปลงค่า pH เพียงเล็กน้อย$${\displaystyle \beta ={\frac {dC_{b}}{d(\mathrm {pH} )}},}$$${\displaystyle dC_{b}}$$${\displaystyle \beta =-{\frac {dC_{a}}{d(\mathrm {pH} )}},}$$${\displaystyle dC_{a}}$

ไม่ว่าจะนิยามใดก็ตาม ความสามารถในการบัฟเฟอร์ของกรดอ่อน HA ที่มีค่าคงที่การแตกตัวK สามารถแสดงได้ดังนี้^{[ 4 ] [ 5 ] [ 3 ]} โดยที่ [H ⁺ ] คือความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจน และคือความเข้มข้นรวมของกรดที่เติมK คือค่าคงที่สมดุลสำหรับการแตกตัวเป็นไอออนเองของน้ำเท่ากับ 1.0 × 10 ⁻¹⁴โปรดทราบว่าในสารละลาย H ⁺มีอยู่ในรูปของ ไอออน ไฮโดรเนียม H O ⁺และการเติมน้ำ เพิ่มเติม ของไอออนไฮโดรเนียมมีผลกระทบต่อสมดุลการแตกตัวน้อยมาก ยกเว้นที่ความเข้มข้นของกรดสูงมาก$${\displaystyle \beta =2.303\left([{\ce {H+}}]+{\frac {T_{{\ce {HA}}}K_{a}[{\ce {H+}}]}{(K_{a}+[{\ce {H+}}])^{2}}}+{\frac {K_{\text{w}}}{[{\ce {H+}}]}}\right),}$$${\displaystyle T_{\text{HA}}}$

สมการนี้แสดงให้เห็นว่ามีสามบริเวณที่มีความจุบัฟเฟอร์ที่เพิ่มขึ้น (ดูรูปที่ 2)

• ในบริเวณตรงกลางของเส้นโค้ง (สีเขียวในกราฟ) เทอมที่สองจะเด่นกว่า และความสามารถในการบัฟเฟอร์จะเพิ่มขึ้นถึงค่าสูงสุดเฉพาะที่ pH = pK ความสูงของจุดสูงสุดนี้ขึ้นอยู่กับค่าของ pK ความสามารถในการบัฟเฟอร์จะน้อยมากเมื่อความเข้มข้น [HA] ของสารบัฟเฟอร์มีค่าน้อยมาก และจะเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มข้นของสารบัฟเฟอร์เพิ่มขึ้น^{[ 3 ]}ผู้เขียนบางคนแสดงเฉพาะบริเวณนี้ในกราฟของความสามารถในการบัฟเฟอร์^{[ 2 ]}$${\displaystyle \beta \approx 2.303{\frac {T_{{\ce {HA}}}K_{a}[{\ce {H+}}]}{(K_{a}+[{\ce {H+}}])^{2}}}.}$$  
  ความสามารถในการบัฟเฟอร์ลดลงเหลือ 33% ของค่าสูงสุดที่ pH = p K ± 1, เหลือ 10% ที่ pH = p K ± 1.5 และเหลือ 1% ที่ pH = p K ± 2 ด้วยเหตุนี้ ช่วงที่มีประโยชน์มากที่สุดจึงอยู่ที่ประมาณ p K   ±  1 เมื่อเลือกบัฟเฟอร์สำหรับใช้ที่ pH เฉพาะ ควรเลือกบัฟเฟอร์ที่มีค่า ap K ใกล้เคียงกับ pH นั้นมากที่สุด^{[ 2 ]}
• ในสารละลายที่เป็นกรดเข้มข้น ค่า pH น้อยกว่าประมาณ 2 (แสดงด้วยสีแดงในกราฟ) พจน์แรกในสมการจะมีอิทธิพลเหนือกว่า และความสามารถในการบัฟเฟอร์จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อค่า pH ลดลง: นี่เป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าพจน์ที่สองและสามจะมีค่าน้อยมากจนแทบไม่มีผลที่ค่า pH ต่ำมาก พจน์นี้ไม่ขึ้นอยู่กับการมีหรือไม่มีสารบัฟเฟอร์$${\displaystyle \beta \approx 10^{-\mathrm {pH} }.}$$
• ในสารละลายที่มีความเป็นด่างสูงมาก ค่า pH มากกว่าประมาณ 12 (แสดงด้วยสีน้ำเงินในกราฟ) พจน์ที่สามในสมการจะมีอิทธิพลมากกว่า และความสามารถในการบัฟเฟอร์จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น: นี่เป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าพจน์แรกและพจน์ที่สองจะมีค่าน้อยมากเมื่อค่า pH สูงมาก นอกจากนี้ พจน์นี้ยังไม่ขึ้นอยู่กับการมีหรือไม่มีสารบัฟเฟอร์ด้วย$${\displaystyle \beta \approx 10^{\mathrm {pH} -\mathrm {p} K_{\text{w}}}.}$$

สารบัฟเฟอร์	พีเค	ช่วงค่า pH ที่มีประโยชน์
กรดซิตริก	3.13, 4.76, 6.40	2.1–7.4
กรดอะซิติก	4.7	3.8–5.8
KH PO	7.2	6.2–8.2
เชส	9.3	8.3–10.3
โบเรต	9.24	8.25–10.25

สำหรับบัฟเฟอร์ในบริเวณที่เป็นกรด สามารถปรับค่า pH ให้ได้ค่าที่ต้องการโดยการเติมกรดแก่ เช่นกรดไฮโดรคลอริกลงในสารบัฟเฟอร์นั้นๆ สำหรับบัฟเฟอร์ที่เป็นด่าง สามารถเติมเบสแก่ เช่นโซเดียมไฮดรอกไซด์ได้ หรืออีกทางเลือกหนึ่ง สามารถเตรียมบัฟเฟอร์ผสมได้จากส่วนผสมของกรดและเบสคู่ควบของมัน ตัวอย่างเช่น บัฟเฟอร์อะซิเตตสามารถทำได้จากส่วนผสมของกรดอะซิติกและโซเดียมอะซิเตตในทำนองเดียวกัน บัฟเฟอร์ที่เป็นด่างสามารถทำได้จากส่วนผสมของเบสและกรดคู่ควบของมัน

โดยการรวมสารที่มีpKaต่างกันไม่เกินสอง และปรับค่า pH จะได้บัฟเฟอร์ที่หลากหลายกรดซิตริกเป็นส่วนประกอบที่มีประโยชน์ของสารละลายบัฟเฟอร์ เนื่องจากมีค่า pKa สามที่ต่างกันไม่เกินสอง ช่วงบัฟเฟอร์สามารถขยายได้โดยการเพิ่มสารบัฟเฟอร์อื่นๆ สารละลายผสมต่อไปนี้ ( สารละลาย บัฟเฟอร์ของ McIlvaine ) มีช่วงบัฟเฟอร์ตั้งแต่ pH 3 ถึง 8 ^{[ 7 ]} 

0.2  M Na HPO (มล.)	กรดซิตริก 0.1  M (มิลลิลิตร)	ค่า pH
20.55	79.45	3.0
38.55	61.45	4.0
51.50	48.50	5.0
63.15	36.85	6.0
82.35	17.65	7.0
97.25	2.75	8.0

ส่วนผสมที่ประกอบด้วยกรดซิตริกโมโนโพแทสเซียมฟอสเฟตกรดบอริกและกรดไดเอทิลบาร์บิทูริกสามารถทำให้เกิดช่วง pH ตั้งแต่ 2.6 ถึง 12 ได้^{[ 8 ]}

บัฟเฟอร์สากลอื่นๆ ได้แก่ บัฟเฟอร์ Carmody ^{[ 9 ]}และบัฟเฟอร์ Britton–Robinsonซึ่งพัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2474

สำหรับช่วงการใช้งานที่มีประสิทธิภาพ โปรดดูที่ ความจุบัฟเฟอร์ด้านบน นอกจากนี้ โปรดดูบัฟเฟอร์ของกู๊ดสำหรับหลักการออกแบบในอดีตและคุณสมบัติที่เหมาะสมของสารบัฟเฟอร์เหล่านี้ในการใช้งานทางชีวเคมี

ชื่อสามัญ (ชื่อทางเคมี)	โครงสร้าง	pKa , °  C​	ผลกระทบจากอุณหภูมิdpH/d T( K −1 ) [ 10 ]	น้ำหนักโมเลกุล
TAPS ( [tris(hydroxymethyl)methylamino]propanesulfonic acid)		8.43	−0.018	243.3
ไบซีน ( กรด 2-(บิส(2-ไฮดรอกซีเอทิล)อะมิโน)อะซิติก)		8.35	−0.018	163.2
ทริส ( ทริส(ไฮดรอกซีเมทิล)อะมิโนมีเทน หรือ2-อะมิโน-2-(ไฮดรอกซีเมทิล)โพรเพน-1,3-ไดออล)		8.07 [ก]	−0.028	121.14
ไตรซีน ( N-[ทริส(ไฮดรอกซีเมทิล)เมทิล]ไกลซีน)		8.05	−0.021	179.2
TAPSO ( 3-[N-tris(hydroxymethyl)methylamino]-2-hydroxypropanesulfonic acid)		7.635		259.3
HEPES ( กรด 4-(2-ไฮดรอกซีเอทิล)-1-ไพเพอราซีนอีเทนซัลโฟนิก)		7.48	−0.014	238.3
TES , (2-[[1,3-ไดไฮดรอกซี-2-(ไฮดรอกซีเมทิล)โพรแพน-2-อิล]อะมิโน]อีเทนซัลโฟนิกแอซิด)		7.40	-0.020	229.20
MOPS ( กรด 3-(N-มอร์โฟลิโน)โพรเพนซัลโฟนิก)		7.20	-0.015	209.3
ไพเพส ( ไพเพอราซีน-เอ็น,เอ็น'-บิส(กรด 2-อีเทนซัลโฟนิก))		6.76	-0.008	302.4
คาโคไดเลต ( กรดไดเมทิลอาร์เซนิก)		6.27		138.0
MES ( กรด 2-(N-มอร์โฟลิโน)อีเทนซัลโฟนิก)		6.15	−0.011	195.2

ขั้นแรกให้เขียนสมการสมดุลลงไป

นี่แสดงให้เห็นว่าเมื่อกรดแตกตัว จะได้ไฮโดรเจนไอออนและแอนไอออนในปริมาณเท่ากัน ความเข้มข้นสมดุลของส่วนประกอบทั้งสามนี้สามารถคำนวณได้ในตาราง ICE (ICE ย่อมาจาก "initial, change, equilibrium")

ตาราง ICE สำหรับกรดโมโนโปรติก

	[HA]	[A − ]	[H + ]
ฉัน	ซี	0	y
ซี	− x	x	x
อี	C − x	x	x + y

แถวแรกที่มีป้ายกำกับIแสดงเงื่อนไขเริ่มต้น: ความเข้มข้นของกรดคือC₀ ในตอนเริ่มต้นยังไม่แตกตัว ดังนั้นความเข้มข้นของ A⁻ ^และ H⁺ ^จะเป็นศูนย์; yคือความเข้มข้นเริ่มต้นของ กรดแก่ ที่เติมเข้าไปเช่น กรดไฮโดรคลอริก หากเติมด่างแก่ เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์yจะมีเครื่องหมายลบเนื่องจากด่างจะดึงไอออนไฮโดรเจนออกจากสารละลาย แถวที่สองที่มีป้ายกำกับCสำหรับ "การเปลี่ยนแปลง" ระบุการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเมื่อกรดแตกตัว ความเข้มข้นของกรดลดลงเป็นจำนวน −x และความเข้มข้นของ A⁻ ^และ H⁺ ^{เพิ่ม}ขึ้นเป็นจำนวน + xซึ่งเป็นไปตามสมการสมดุล แถวที่สามที่มีป้ายกำกับEสำหรับ "สมดุล" รวมความเข้มข้นของสองแถวแรกเข้าด้วยกันและแสดงความเข้มข้นที่สมดุล

ในการหาค่าxให้ใช้สูตรค่าคงที่สมดุลในรูปของความเข้มข้น: $${\displaystyle K_{\text{a}}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {A-}}]}{[{\ce {HA}}]}}.}$$

แทนที่ค่าความเข้มข้นด้วยค่าที่พบในแถวสุดท้ายของตาราง ICE: $${\displaystyle K_{\text{a}}={\frac {x(x+y)}{C_{0}-x}}.}$$

ลดความซับซ้อนลง$${\displaystyle x^{2}+(K_{\text{a}}+y)x-K_{\text{a}}C_{0}=0.}$$

ด้วยค่าเฉพาะสำหรับC , K และyสมการนี้สามารถแก้หาค่าx ได้ โดยสมมติว่า pH  =  −log [H ⁺ ] ค่า pH สามารถคำนวณได้เป็น pH  =  −log ( x  + y ) 

กรดโพลีโปรติก คือ กรดที่สามารถสูญเสียโปรตอนได้มากกว่าหนึ่งตัว ค่าคงที่สำหรับการแตกตัวของโปรตอนตัวแรกอาจใช้สัญลักษณ์K <sub> และค่าคงที่สำหรับการแตกตัวของโปรตอนตัวถัดไปใช้ สัญลักษณ์ K เป็นต้นกรดซิตริกเป็นตัวอย่างของกรดโพลีโปรติก H<sub> A เนื่องจากสามารถสูญเสียโปรตอนได้ถึงสามตัว

ค่าคงที่การแตกตัวแบบทีละขั้น

สมดุล	กรดซิตริก
H A ⇌ H A − + H +	p K = 3.13
H A − ⇌ HA 2− + H +	p K = 4.76
HA 2− ⇌ A 3− + H +	p K = 6.40

เมื่อความแตกต่างระหว่างค่า pKa ที่ต่อเนื่องกันกว่าประมาณ 3 จะมีการทับซ้อนกันของช่วง pH ที่สารต่างๆ อยู่ในสภาวะสมดุล ยิ่งความแตกต่างน้อยลงเท่าใด การทับซ้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในกรณีของกรดซิตริก การทับซ้อนนั้นกว้างขวาง และสารละลายกรดซิตริกจะถูกบัฟเฟอร์ในช่วง pH ตั้งแต่2.5 ถึง 7.5 

การคำนวณค่า pH ของกรดโพลีโปรติกจำเป็นต้องทำการคำนวณชนิดของสารประกอบ ในกรณีของกรดซิตริก จะต้องแก้สมการสมดุลมวลสองสมการดังนี้:

$${\displaystyle {\begin{aligned}C_{{\ce {A}}}&=[{\ce {A^3-}}]+\beta _{1}[{\ce {A^3-}}][{\ce {H+}}]+\beta _{2}[{\ce {A^3-}}][{\ce {H+}}]^{2}+\beta _{3}[{\ce {A^3-}}][{\ce {H+}}]^{3},\\C_{{\ce {H}}}&=[{\ce {H+}}]+\beta _{1}[{\ce {A^3-}}][{\ce {H+}}]+2\beta _{2}[{\ce {A^3-}}][{\ce {H+}}]^{2}+3\beta _{3}[{\ce {A^3-}}][{\ce {H+}}]^{3}-K_{\text{w}}[{\ce {H+}}]^{-1}.\end{aligned}}}$$

C คือความเข้มข้นเชิงวิเคราะห์ของกรดC คือความเข้มข้นเชิงวิเคราะห์ของไอออนไฮโดรเจนที่เติมβ คือ ค่า คงที่การเชื่อมโยงสะสมK คือค่าคงที่สำหรับการแตกตัวเป็นไอออนเองของน้ำ มีสมการเชิงเส้น ไม่เชิงเส้น สองสมการในปริมาณที่ไม่ทราบค่าสองค่า [A ³⁻ ] และ [H ⁺ ] มีโปรแกรมคอมพิวเตอร์หลายโปรแกรมที่ใช้ในการคำนวณนี้ แผนภาพสปีชีส์ของกรดซิตริกถูกสร้างขึ้นด้วยโปรแกรม HySS ^{[ 11 ]}

หมายเหตุ: การกำหนดหมายเลขของค่าคงที่สะสมโดยรวมจะเป็นไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการกำหนดหมายเลขของค่าคงที่การแตกตัวแบบทีละขั้นตอน

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่การรวมตัวสะสม (β) และค่าคงที่การแยกตัวแบบขั้นบันได (K) สำหรับกรดไตรเบสิก

สมดุล	ความสัมพันธ์
A 3− + H + ⇌ AH 2+	Log β = pk
A 3− + 2H + ⇌ AH +	Log β =pk + pk
A 3− + 3H + ⇌ AH	Log β = pk + pk + pk

ค่าคงที่การเชื่อมโยงสะสมถูกนำมาใช้ในโปรแกรมคอมพิวเตอร์ทั่วไป เช่น โปรแกรมที่ใช้สร้างแผนภาพการเกิดสปีชีส์ข้างต้น