Глава 6. ПРОТОЛИТИЧЕСКИЕ БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Глава 6. ПРОТОЛИТИЧЕСКИЕ БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Изменение любого фактора, могущего влиять на состояние химического равновесия системы веществ, вызывает в ней реакцию, стремящуюся противодействовать производимому изменению.

А. Ле Шателье

6.1. БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ БУФЕРНЫХ СИСТЕМ. КЛАССИФИКАЦИЯ БУФЕРНЫХ СИСТЕМ

Системы, поддерживающие протолитический гомеостаз, включают в себя не только физиологические механизмы (легочная и почечная компенсация), но и физико-химическое буферное действие, ионный обмен, диффузию. Поддержание на заданном уровне кислотно-основного равновесия обеспечивается на молекулярном уровне действием буферных систем.

Протолитическими буферными системами называются растворы, сохраняющие постоянное значение pH как при добавлении кислот и щелочей, так и при разведении.

Способность некоторых растворов сохранять неизменной концентрацию ионов водорода получила название буферного действия, которое является основным механизмом протолитического гомеостаза. Буферные растворы - это смеси слабого основания или слабой кислоты и их соли. В буферных растворах главными «действующими» компонентами являются донор и акцептор протонов, согласно теории Брёнстеда, или донор и акцептор электронной пары, согласно теории Льюиса, представляющие собой кислотно-основную пару.

По принадлежности слабого электролита буферной системы к классу кислот или оснований и по типу заряженной частицы они делятся на три типа: кислотный, основной и амфолитный. Раствор, содержащий одну или несколько буферных систем, называется буферным раствором. Буферные растворы можно приготовить двумя способами:

Частичной нейтрализацией слабого электролита сильным электролитом:

Смешиванием растворов слабых электролитов с их солями (или двух солей): CH 3 COOH и CH 3 COONa; NH 3 и NH 4 Cl; NaH 2 PO 4

и Na 2 HPO 4 .

Причина возникновения в растворах нового качества - буферного действия - заключается в совмещении нескольких протолитических равновесий:

Сопряженные кислотно-основные пары B/BH + и A - /HA называют буферными системами.

В соответствии с принципом Ле Шателье добавление в раствор слабой кислоты HB + H 2 O ↔ H 3 O + + B - сильной кислоты или соли, содержащей анионы B - , происходит процесс ионизации, смещающий равновесие влево (эффект общего иона) B - + H 2 O ↔ HB + OH - , а добавление щелочи (OH -) - вправо, так как вследствие реакции нейтрализации уменьшится концентрация ионов гидроксония.

При совмещении двух изолированных равновесий (ионизации кислоты и гидролиза по аниону) оказывается, что процессы, которые в них будут протекать при воздействии одних и тех же внешних факторов (добавлении ионов гидроксония и гидроксид-ионов), разнонаправле-ны. Кроме того, концентрация одного из продуктов каждой из совмещенных реакций влияет на положение равновесия другой реакции.

Протолитическая буферная система представляет собой совмещенное равновесие процессов ионизации и гидролиза.

Уравнение буферной системы выражает зависимость pH буферного раствора от состава буферной системы:

Анализ уравнения показывает, что величина pH буферного раствора зависит от природы веществ, образующих буферную систему, соотношения концентрации компонентов и температуры (так как от нее зависит величина pKa).

Согласно протолитической теории, кислоты, основания и амфоли-ты являются протолитами.

6.2. ТИПЫ БУФЕРНЫХ СИСТЕМ

Буферные системы кислотного типа

Кислотные буферные системы представляют собой смесь слабой кислоты HB (донор протона) и ее соли B - (акцептор протона). Они, как правило, имеют кислую среду (pH <7).

Гидрокарбонатная буферная система (зона буферного действия pH 5,4-7,4) - смесь слабой угольной кислоты H 2 CO 3 (донор протона) и ее соли HCO 3 - (акцептор протона).

Гидрофосфатная буферная система (зона буферного действия pH 6,2-8,2) - смесь слабой кислоты H 2 PO 4 - (донор протона) и ее соли HPO 4 2- (акцептор протона).

Гемоглобиновая буферная система представлена двумя слабыми кислотами (доноры протонов) - гемоглобином HHb и оксигемоглоби-ном HHbO 2 и сопряженными им слабыми основаниями (акцепторами протонов) - соответственно гемоглобинат - Hb - и оксигемоглобинат-анионами HbO 2 - .

Буферные системы основного типа

Основные буферные системы представляют собой смесь слабого основания (акцептор протона) и его соли (донор протона). Они, как правило, имеют щелочную среду (pH >7).

Аммиачная буферная система: смесь слабого основания NH 3 H 2 O (акцептор протона) и его соли - сильного электролита NH 4 + (донор протона). Зона буферного действия при pH 8,2-10,2.

Буферные системы амфолитного типа

Амфолитные буферные системы состоят из смеси двух солей или из соли слабой кислоты и слабого основания, например CH 3 COONH 4 , в котором CH 3 COO - проявляет слабые основные свойства - акцептор протона, а NH 4 + - слабая кислота - донор протона. Биологически значимой буферной системой амфолитного типа является белковая буферная система - (NH 3 +) m -Prot-(CH 3 COO -) n .

Буферные системы можно рассматривать как смесь слабого и силъ-ного электролитов, имеющих одноименные ионы (эффект общего иона). Например, в ацетатном буферном растворе - ацетат-ионы, а в гидрокарбонатном - карбонат-ионы.

6.3. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ PH В ЭТИХ РАСТВОРАХ. УРАВНЕНИЕ ГЕНДЕРСОНА-ХАССЕЛЬБАХА

Механизм действия буферных растворов кислотного типа рассмотрим на примере ацетатной буферной системы CH 3 COO - /CH 3 COOH, в основе действия которой лежит кислотно-основное равновесие CH 3 COOH ↔ H + + CH 3 COO - (K И = 1,75 10 -5). Главный источник ацетат-ионов - сильный электролит CH 3 COONa. При добавлении сильной кислоты сопряженное основание CH 3 COO - связывает добавленные катионы водорода, превращаясь в слабую кислоту: CH 3 COO - + + H + ↔ CH 3 COOH (кислотно-основное равновесие смещается влево). Уменьшение концентрации CH 3 COO - уравновешивается повышением концентрации слабой кислоты и указывает на процесс гидролиза. Согласно закону разведения Оствальда, увеличение концентрации кислоты несколько понижает ее степень электролитической диссоциации и кислота практически не ионизирует. Следовательно, в системе: С к увеличивается, С с и α уменьшается, - const, С к /С с увеличивается, где C к - концентрация кислоты, С с - концентрация соли, α - степень электролитической диссоциации.

При добавлении щелочи катионы водорода уксусной кислоты высвобождаются и нейтрализуются добавленными ионами OH - , связываясь в молекулы воды: CH 3 COOH + OH - → CH 3 COO - + H 2 O

(кислотно-основное равновесие смещается вправо). Следовательно, С к увеличивается, С с и α уменьшается, - const, С к /С с уменьшается.

Механизм действия буферных систем основного и амфолитного типов аналогичен. Буферное действие раствора обусловлено смещением кислотно-основного равновесия за счет связывания добавляемых Н + и ОН - ионов компонентами буфера и образования малодиссоции-рующих веществ.

Механизм действия белкового буферного раствора при добавлении кислоты: (NH 3 +) m -Prot-(COO -) n + n H + ↔ (NH 3 +) m -Prot-(COOH) n , при добавлении щелочи - (NH 3 +) m -Prot-(COO -) n + m OH - ↔ (NH 2) m - Prot-(COO -) n + mH 2 O.

При больших концентрациях Н + и ОН - (больше 0,1 моль/л) значительно изменяется соотношение компонентов буферной смеси - С к /С с увеличивается или уменьшается и pH может измениться. Подтверждением этого является уравнение Гендерсона-Хассельбаха, которое устанавливает зависимость [Н + ], К И, α и С к /С с. Уравнение

выводим на примере буферной системы кислотного типа - смеси уксусной кислоты и ее соли СН 3 СОONа. Концентрация ионов водорода в буферном растворе определяется константой ионизации уксусной кислоты:

Уравнение показывает, что концентрация ионов водорода находится в прямой зависимости от К И, α, концентрации кислоты С к и в обратной зависимости от С с и соотношения С к /С с. Логарифмируя обе части уравнения и взяв логарифм со знаком минус, получим уравнение в логарифмической форме:

Уравнение Гендерсона-Хассельбаха для буферных систем основного и амфолитного типов выводится на примере вывода уравнения для буферных систем кислотного типа.

Для буферной системы основного типа, например аммиачной, концентрацию катионов водорода в растворе можно рассчитать, исходя из константы кислотно-основного равновесия сопряженной кислоты

NH4 + :

Уравнение Гендерсона-Хассельбаха для буферных систем основного типа:

Данное уравнение можно представить в виде:

Для фосфатной буферной системы HPO 4 2- /H 2 PO 4 - pH можно рассчитать по уравнению:

где pK 2 - константа диссоциации ортофосфорной кислоты по второй ступени.

6.4. ЕМКОСТЬ БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ И ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЕЕ ФАКТОРЫ

Способность растворов поддерживать постоянное значение pH небезгранична. Буферные смеси можно различить по силе оказываемого ими сопротивления по отношению к действию кислот и оснований, вводимых в буферный раствор.

Количество кислоты или щелочи, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы значение его pH изменилось на единицу, называют буферной емкостью.

Таким образом, буферная емкость является количественной мерой буферного действия раствора. Буферный раствор имеет максимальную буферную емкость при pH = pK кислоты или основания, образующей смесь при соотношении ее компонентов, равном единице. Чем выше исходная концентрация буферной смеси, тем выше ее буферная емкость. Буферная емкость зависит от состава буферного раствора, концентрации и соотношения компонентов.

Нужно уметь правильно выбрать буферную систему. Выбор определяется необходимым интервалом pH. Зона буферного действия определяется силовым показателем кислоты (основания) ±1 ед.

При выборе буферной смеси необходимо учитывать химическую природу ее компонентов, так как вещества раствора, к которым добав-

ляется буферная система, могут образовывать нерастворимые соединения, взаимодействовать с компонентами буферной системы.

6.5. БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ КРОВИ

Кровь содержит 4 основные буферные системы.

1.Гидрокарбонатная. На ее долю приходится 50% емкости. Она работает главным образом в плазме и играет центральную роль в транспорте СО 2 .

2.Белковая. На ее долю приходится 7% емкости.

3.Гемоглобиновая, на нее приходится 35% емкости. Она представлена гемоглобином и оксигемоглобином.

4.Гидрофосфатная буферная система - 5% емкости. Гидрокарбонатная и гемоглобиновая буферные системы выполняют

центральную и чрезвычайно важную роль в транспорте СО 2 и установлении pH. В плазме крови pH 7,4. СО 2 - продукт клеточного метаболизма, выделяющийся в кровь. Диффундирует через мембрану в эритроциты, где реагирует с водой с образованием Н 2 СО 3 . Соотношение устанавливается равным 7, и pH будет 7,25. Кислотность повышается, при этом имеют место реакции:

Образующийся НСО 3 - выходит через мембрану и уносится током крови. В плазме крови при этом pH 7,4. Когда венозная кровь вновь попадает в легкие, гемоглобин реагирует с кислородом с образованием оксигемоглобина, который является более сильной кислотой: ННb + + O 2 ↔ НHbО 2 . pH понижается, так как образуется более сильная кислота, происходит реакция: НHbО 2 + НСО 3 - ↔ HbO 2 - + Н 2 СO 3 . Затем СО 2 выделяется в атмосферу. Таков один из механизмов транспорта СО 2 и О 2 .

Гидратация и дегидратация СО 2 катализируется ферментом карбо-ангидразой, которая имеется в эритроцитах.

Основания также связываются буферным раствором крови и выделяются с мочой, главным образом в виде одно- и двузамещенных фосфатов.

В клиниках всегда определяют резервную щелочность крови.

6.6. ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ К ЗАНЯТИЯМ И ЭКЗАМЕНАМ

1.При совмещении каких протолитических равновесий растворы будут обладать буферными свойствами?

2.Дать понятие о буферных системах и буферном действии. Каков химизм буферного действия?

3.Основные типы буферных растворов. Механизм их буферного действия и уравнение Гендерсона-Хассельбаха, определяющее pH в буферных системах.

4.Основные буферные системы организма и их взаимосвязь. От чего зависит pH буферных систем?

5.Что называют буферной емкостью буферной системы? Какая из буферных систем крови обладает наибольшей емкостью?

6.Способы получения буферных растворов.

7.Выбор буферных растворов для медико-биологических исследований.

8.Определить, ацидоз или алкалоз наблюдается у больного, если концентрация ионов водорода в крови равна 1,2.10 -7 моль/л?

6.7. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1. Какая из предложенных систем является буферной?

а)HCl и NaCl;

б)H 2 SO 4 и NaHSO 4 ;

в)H 2 CO 3 и NaHCO 3 ;

г)HNO 3 и NaNO 3 ;

д)HClO 4 и NaClO 4 .

2. Для какой из предложенных буферных систем соответствует расчетная формула pH = рК?

а)0,1 М р-р NaH 2 PO 4 и 0,1 М р-р Na 2 HPO 4 ;

б)0,2 М р-р H 2 CO 3 и 0,3 М р-р NaHCO 3 ;

в)0,4 М р-р NH 4 OH и 0,3 М р-р NH 4 Cl;

г)0,5 М р-р СН 3 СООН и 0,8 М р-р CH 3 COONa;

д)0,4 М р-р NaHCO 3 и 0,2 М р-р Н 2 CO 3 .

3. Какая из предложенных буферных систем является бикарбонатной буферной системой?

а) NH 4 OH и NH 4 Cl;

б)Н 2 СО 3 и КНСО 3 ;

в)NaH 2 PO 4 и Na 2 HPO 4 ;

г)СН 3 СOOН и СН 3 СООК;

д)K 2 HPO 4 и КН 2 РО 4 .

4. При каких условиях pH буферной системы равна рК к?

а)когда равны концентрация кислоты и ее соли;

б)когда не равны концентрация кислоты и ее соли;

в)когда соотношение объемов кислоты и ее соли равно 0,5;

г)когда соотношение объемов кислоты и ее соли при одинаковых концентрациях не равно;

д)когда концентрация кислоты больше концентрации соли в 2 раза.

5. Какая из предложенных формул подойдет для расчета [Н+], для системы СН 3 СООН и СН 3 СOOК?

6. Какая из ниже перечисленных смесей входит в состав буферной системы организма?

а)HCl и NaCl;

б)H 2 S и NaHS;

в)NH 4 OH и NH 4 Cl;

г)H 2 CO 3 и NaНСО 3 ;

д)Ba(OH) 2 и BaOHCl.

7. К какому типу кислотно-основных буферных систем относится белковый буфер?

а)слабая кислота и ее анион;

в)анионы 2 кислых солей;

д)ионы и молекулы амфолитов.

8. К какому типу кислотно-основных буферных систем относится аммиачный буфер?

а)слабая кислота и ее анион;

б)анионы кислой и средней соли;

в)анионы 2 кислых солей;

г)слабое основание и его катион;

д)ионы и молекулы амфолитов.

9. К какому типу кислотно-основных буферных систем относится фосфатный буфер?

а)слабая кислота и ее анион;

б)анионы кислой и средней соли;

в)анионы 2 кислых солей;

г)слабое основание и его катион;

д)ионы и молекулы амфолитов.

10. Когда белковая буферная система не является буфером?

а)в изоэлектрической точке;

б)при добавлении щелочи;

в)при добавлении кислоты;

г)в нейтральной среде.

11. Какая из предложенных формул подойдет для расчета [ОН - ] системы: NH 4 OH и NH 4 Cl?

Общая химия: учебник / А. В. Жолнин; под ред. В. А. Попкова, А. В. Жолнина. - 2012. - 400 с.: ил.

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха - математическое выражение, характеризующее возможности буферной системы. Уравнение показывает, как зависит кислотно-основное равновесие буферного раствора от свойств компонентов кислотно-основной буферной системы и от количественного соотношения этих компонентов в растворе. Показателем кислотно-основного равновесия в растворе является водородный показатель, pH. Свойство кислоты (её способность распадаться на ионы), как составляющей буферной системы, характеризуется значением константы равновесия, константы диссоциации кислоты, Kа. pK= – lgK Д

Количественная структура (состав) буферной системы может быть оценена в виде отношения соль/кислота. Учитывая сказанное, уравнение Гендерсона-Гассельбаха выглядит следующим образом:

pH = pK+ lg

На величину рН и рОН влияют константа диссоциации и соотношения концентраций компонентов.

18. Буферная ѐмкость. Зона буферного действия.

Интервал рН=рКа±1 называетсязоной буферного действия .

Буферная ёмкость(В) выражается количеством моль-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которое следует добавить к одному литру буфера, чтобы сместить рН на единицу.

В – буферная ёмкость,

nЭ– количество моль-эквивалента сильной кислоты или щелочи,

ΔрН – изменение рН.

На практике буферная ёмкость рассчитывается по формуле:

V – объём кислоты или щелочи,

N – эквивалентная концентрация кислоты или щелочи,

V буф - объём буферного раствора,

Δ рН – изменение рН.

Буферная ёмкость зависит от концентрации электролитов и соотношения компонентов буфера .

19. Количественное определение буферной ёмкости.

Количество кислоты или щелочи, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы значение его pH изменилось на единицу, называют буферной емкостью

Чем выше исходная концентрация буферной смеси, тем выше ее буферная емкость

20. Буферные системы крови: гидрокарбонатная, фосфатная, гемоглобиновая и протеиновая

Гемоглобиновый буфер Составляет 35 % буферной ёмкости.

Главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной ёмкости крови. Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль в: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН крови.

Она представлена двумя слабыми кислотами – гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженными им основаниями – соответственно гемоглобинат- и оксигемоглобинат-ионами:

HHb ↔ H + + Hb -

HHbO 2 ↔ H + HbO 2 -

Фосфатный буфер

Содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями

К 2 НРО 4 иКН 2 РО 4 , а в плазме крови и в межклеточной жидкости

Na 2 HPO 4 иNaH 2 PO 4 .

Функционирует в основном в плазме и включает: дигидрофосфат ион и гидрофосфат ион

Н 2 РО 4 - иНРО 4 2-

Эта система играет решающую роль в биологических средах – в клетке, в соках пищеварительных желез, в моче.

Бикарбонатный буфер . Он составляет 53 % буферной ёмкости.

Представлен:

Н 2 СО 3 и NaHCO 3

Бикарбонатный буфер представляет собой основную буферную систему плазмы крови; он является системой быстрого реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами СО 2 – быстро выводится через легкие.

Белковый буфер Составляет 5 % буферной ёмкости.

Он состоит из белка-кислоты и его соли, образованной сильным основанием.

Pt – COOH - белок-кислота

Pt – COONa – белок-соль

1. При образовании в организме сильных кислот они взаимодействуют с солью белка.

НС1 + Pt-COONa ↔ Pt-COOH + NaCl.

2. При увеличении щелочных продуктов они взаимодействуют с Pt-СООН:

NaOH + Pt-COOH ↔ Pt-COONa + H 2 O

Белок – это амфотерный электролит и поэтому проявляет собственное буферное действие.

Для буферной системы I типа НА/A - концентрацию ионов Н + в растворе легко вычислить, исходя из константы диссоциации слабой кислоты (для простоты изложения вместо активностей ионов в выражении для будем использовать их концентрации):

НA ⇄ A - + H + ;

где С(кислоты) и С(соли) – молярные концентрации кислоты и соли.

Если равенство (3) прологарифмировать (взять отрицательный десятичный логарифм левой и правой частей уравнения), то получим:

где индексом «0» обозначены характеристики исходных растворов кислоты и соли, смешиванием которых получают требуемую буферную смесь.

Для буферной системы II типа В/ВН + , например аммонийной, гидроксидный и водородный показатели вычисляют по уравнениям:

где – показатель константы диссоциации основания.

В общем виде уравнение для расчета pH буферных систем выглядит следующим образом:

,

(7)

и называется уравнениемГендерсона-Гассельбаха .

Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха следует, что:

1. Величина рН буферных растворов зависит от константы диссоциации кислоты или основания и от соотношения количеств компонентов, но практически не зависит от разбавления или концент-рирования растворов. Действительно, в этих процессах концентрации компонентов буферного раствора изменяются пропорционально, поэтому их соотношение, которое определяет значение рН буферного раствора, остается неизменным.

Если концентрации компонентов буферных растворов превы-шают 0,1 моль/л, то в расчетах необходимо учитывать коэффициенты активности ионов системы.

2. Показатель константы диссоциации слабого электролита опре-деляет область буферного действия раствора, т.е. тот интервал значе-ний водородного показателя, в котором сохраняются буферные свой-ства системы. Поскольку буферное действие продолжается, пока не израсходовано 90% компонента (т.е. его концентрация не уменьши-лась на порядок), то область (зона) буферного действия отличается от на 1 единицу:

Амфолиты могут иметь несколько зон буферного действия, каждая из которых отвечает соответствующей константе :

.

Таким образом, максимально допустимое соотношение компонентов раствора, при котором он проявляет буферное действие, составляет 10:1.

Пример 1. Можно ли приготовить ацетатный буфер с рН = 6,5, если уксусной кислоты равен 4,74?

Поскольку зона буферного действия определяется как , для ацетатного буфера она находится в интервале значений рН от 3,74 до 5,74. Значение рН = 6,5 лежит за пределами зоны действия ацетатного буфера, поэтому на основе ацетатной буферной системы такой буфер приготовить нельзя.

Буферная емкость.

Прибавлять кислоту или щелочь, существенно не меняя рН буферного раствора, можно лишь в относительно небольших коли-чествах, так как способность буферных растворов сохранять постоян-ство рН ограничена.

Величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении кислот и щелочей, называется буферной емкостью (В). Различают буферную емкость по кислоте () и по щелочи ().

Буферная емкость (В) измеряется количеством кислоты или щелочи (моль или ммоль эквивалента), добавление которого к 1 л буферного раствора изменяет рН на единицу.

На практике буферную емкость определяют титрованием. Для этого определенный объем буферного раствора титруют сильной кислотой или щелочью известной концентрации до достижения точки эквивалентности. Титрование проводят в присутствии кислотно-основных индикаторов, при правильном выборе которых фиксируют состояние, когда компонент буферной системы прореагирует полностью. По полученным результатам рассчитывают величину буферной емкости ( или ):

	(8)
	(9)

где С( к-ты) , С( щел) - молярные концентрации эквивалента кислоты и щелочи (моль/л);

V(к-ты), V(щел) - объемы добавленных растворов кислоты или щелочи (л; мл);

V(буфера) - объем буферного раствора (л; мл);

pH 0 и pH - значения рН буферного раствора до и после титрования кислотой или щелочью (изменение рН берется по абсолютной величине).

Буферную емкость выражают в [моль/л] или в [ммоль/л].

Буферная емкость зависит от ряда факторов:

1. Чем больше абсолютное содержание компонентов пары основание/сопряженная кислота, тем выше буферная емкость буфер-ного раствора.

Буферная емкость зависит от соотношения количеств компо-нентов буферного раствора, а следовательно, и от рН буфера. Буфер-ная емкость максимальна при равных количествах компонентов бу-ферной системы и уменьшается с отклонением от этого соотношения.

3. При различном содержании компонентов буферные емкости раствора по кислоте и по щелочи отличаются. Так, в буферном растворе I типа чем больше содержание кислоты, тем больше буферная емкость по щелочи, а чем больше содержание соли, тем больше буферная емкость по кислоте. В буферном растворе II типа чем больше содержание соли, тем больше буферная емкость по щелочи, а чем больше содержание основания, тем больше буферная емкость по кислоте.

В аналитической химии очень часто используют буфер­ные растворы. Буферными называют растворы, рН кото­рых практически не изменяется при добавлении к ним не­больших количеств кислот и оснований или при их разбавлении. Буферные растворы могут быть четырех типов.

1. Слабая кислота и ее соль. Например, ацетатный бу­ферный раствор СН 3 СООН + CH 3 COONa.

2. Слабое основание и его соль. Например, аммиачный буферный раствор NH 4 OH + NH 4 C1.

3. Раствор двух кислых солей. Например, фосфатный буферный раствор NaH 2 PO 4 + Na 2 HPO 4 . В этом случае соль NaH 2 PO 4 играет роль слабой кислоты.

4. Аминокислотные и белковые буферные растворы. рН и рОН буферных растворов зависят от величины константы диссоциации кислоты или основания и от соот­ношения концентраций компонентов. Эта зависимость Выражается уравнениями

pH = pK k – lg C (кислота) (2.6)

рОН = рК 0 - lg С(основание) ,(2.7)

где рК к и рК 0 - показатели константы диссоциации соот­ветствующей кислоты и основания; С(кислота) - концент­рация кислоты; С(основание) - концентрация основания; С(соль) - концентрация соли.

При приготовлении буферного раствора с одинаковой концентрацией кислоты (основания) и соли рН или рОН такого раствора численно равняется рК к или рК 0 , так как С(кислота)/С(соль) = 1 или С(основание) / С(соль) = 1. Из­меняя соотношение между концентрациями кислоты (ос­нования) и соли, можно получить серию растворов с раз­личной концентрацией ионов водорода, т.е. с различными значениями рН.

На примере ацетатного буферного раствора рассмот­рим, на чем основано свойство буферных растворов сохра­нять постоянным значение рН. Для ацетатного буферного раствора рН можно рассчитать по уравнению (2.6):

рН = рКсн 3 соон – lg С (СН 3 СООН) . (2.8)

При разбавлении водой ацетатного буферного раствора, как видно из уравнения (2.8),соотношение С(СН 3 СООН) / C(CH 3 CОONa) не изменяется, так как концентрации кис­лоты и соли уменьшаются в одинаковое число раз, а рКсн 3 соон остается постоянной величиной. В результате при разбавлении рН буферного раствора практически не меняется.

Теперь предположим, что приготовлен 1 л ацетатного бу­ферного раствора с одинаковой концентрацией обоих ком­понентов, равной 0,1 М. Для уксусной кислоты рК = 4,76. Следовательно, согласно уравнению (2.8), рН такого бу­ферного раствора равно следующей величине:

pH = 4,76 – lg0,1/0,1 = 4,76.

Добавим к такому раствору 10 миллимоль соляной кис­лоты. В результате реакции

CH 3 COONa + HC1 → СН 3 СООН + NaCl

концентрация слабой кислоты увеличивается, а концент­рация соли уменьшается. Концентрация уксусной кисло­ты будет равна 0,1 М + 0,01М = 0,11М, а концентрация соли CH 3 COONa: 0,1M – 0,01М = 0,09М. Тогда рН ацетатно­го буферного раствора уменьшается на 0,08:

рН = 4,76 – lg(0,11/0,09) =4,76 - 0,079 = 4,68.

При добавлении вместо сильной кислоты такого же коли­чества основания последнее реагирует с уксусной кислотой:

СН 3 СООН + NaOH ↔ CH 3 COONa + Н 2 О.

Концентрация кислоты уменьшается (0,1М - 0,01М = 0,09М), но увеличивается концентрация соли (0,1М + 0,01M = 0,11М). Тогда

рН = 4,76 – lg (0,09/0,11) = 4,76 - 0,09 = 4,67.

При добавлении кислоты или основания концентрации компонентов буферного раствора изменяются незначительно, и после установления равновесия рН изменяется тоже незначительно.

Добавление к 1 л воды 10 миллимоль НСl или NaOH со­здает концентрацию [Н + ] и [ОН - ], равную 0,01М. В первом случае рН станет равным 2, во втором - 12, т.е. рН изме­нится на 5 единиц по сравнению с рН чистой воды.

Способность буферных растворов поддерживать рН практически постоянным является ограниченной. Любой буферный раствор практически сохраняет постоянство рН только до прибавления некоторого определенного количе­ства кислоты или щелочи. Способность буферного раство­ра противодействовать смещению рН измеряется буфер­ной емкостью. Эта величина характеризуется количест­вом моль Н + или ОН - соответственно сильной кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 л буферного рас­твора, чтобы сместить величину его рН на одну единицу.

Буферные растворы широко применяются в качествен­ном и количественном анализе для создания и поддержания определенного значения рН среды при проведении реакций. Так, ионы Ва 2+ отделяют от ионов Са 2+ и Sr 2+ осаждением дихромат-ионами Cr 2 О 7 2- в присутствии ацетатного буфер­ного раствора. При определении многих катионов металлов С помощью трилона Б методом комплексонометрии используют аммиачный буферный раствор (NH 4 OH + NH 4 Cl).

Буферные растворы или буферные системы обеспечива­ют постоянство рН биологических жидкостей и тканей. Главными буферными системами в организме являются гид­рокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Действие всех буферных систем в организме взаимосвязано. Поступившие извне или образовавшиеся в процессе обмена веществ ионы водорода связываются в слабо диссоциируе­мые соединения одним из компонентов буферных систем. Однако при некоторых заболеваниях может происходить изменение значения рН крови. Смещение значения рН кро­ви в кислую область от нормальной величины рН 7,4 называется ацидозом, в щелочную область - алкалозом. Ацидоз возникает при тяжелых формах сахарного диабета, дли­тельной физической работе и при воспалительных процес­сах. При тяжелой почечной или печеночной недостаточнос­ти или при нарушении дыхания может возникнуть алкалоз.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Что такое буферные растворы?

2. Назовите основные типы буферных растворов. Приведи­те примеры.

3. От чего зависит рН буферных растворов?

4. Почему рН ацетатного буферного раствора не изменяет­ся значительно при добавлении к нему небольших коли­честв азотной кислоты или гидроксида калия?

5. Будет ли изменяться рН фосфатного буферного раствора при разведении его водой в 10 раз? Дайте объяснение.

6. Вычислите: а) рН фосфатного буферного раствора, состоя­щего из 16 мл раствора Na 2 HPO 4 с концентрацией 0,1 моль/л и 40 мл раствора NaH 2 PO 4 с концентрацией 0,04 моль/л, если pKH 2 PO - 4 = 6,8; б) как изменится рН этого раствора при добавлении к нему 6 мл раствора НС1 с концентрацией 0,1 моль/л.

Ответ: а) рН = 6,8; б) рН = 6,46; ∆рН = 0,34.

7. Приведите примеры применения буферных растворов в аналитической химии.

8. Что такое: а) ацидоз; б) алкалоз?

10 Способы выражения концентраций растворов

13 Процесс электролитической диссоциации как взаимодействие веществ. Самоионизация.

14. Закон действующих масс в растворах электролитов. Сильные и слабые электролиты. Степень диссоциации.

15. Теория сильных электролитов. Активность. Коэффициент активности. Ионная сила растворов. Связь ионной силы раствора с коэффициентом активности.

16. Протолитическое равновесие. Кислоты, основания, амфолиты по Бренстеду.

17. Вода как растворитель. Дифференцирующие и нивелирующие растворители.

18. Автопротолиз. Ионное произведение воды. Рн

19. Гидролиз по катиону и аниону. Необратимый гидролиз. Константа и степень гидролиза. Расчёт pH.

Константа гидролиза.

Расчёт pH.

20. Буферные растворы, природные буферные системы. Расчёт pH буферных систем, буферная ёмкость.

21. Кислоты и основания по Льюису.

22. Гетерогенные равновесия. Произведение растворимости.

23. Химическая связь: типы связи, механизмы образования, характеристики.

24. Комплексные соединения (кс). Строение кс. Номенклатура кс. Классификация кс. Характер связи в кс.

Классификация

По заряду комплекса

По числу мест, занимаемых лигандами в координационной сфере

По природе лиганда

Химическая связь в комплексных соединениях.

25.Диссоциация комплексных ионов. Константа нестойкости. Комплексообразование в организме.

26.Изомерия кс. Комплексообразование в организме.

27.Строение гемма

28. Овр и их биологическая роль.

30. Коллоидные системы. Строение коллоидной частицы. Двойной электрический слой. Электрокинетические явления.

31. Методы очистки коллоидных растворов. Диализ, электролиз, ультрафикация.

32.. Получение и свойства дисперсных систем. Получение суспензий, эмульсий, коллоидных растворов.

33. Устойчивость дисперсных систем. Седиментационная, агрегативная и конденсационная устойчивость лиозолей. Факторы, влияющие на устойчивость лиозолей.

34. Коагуляция.Порог коагуляци и нго определение,правило Шульце-Гарди.Взаимная коагуляция.

35. Поверхностные явления и адсорбция. Адсорбционные равновесия и процессы на подвижных границах раздела фаз.Уравнение Гиббса

36. Поверхностно-активные и поверхностно-неактивные вещества. Изменение поверхностной активности в гомологических рядах (правило Траубе).

37. Поверхностное натяжение и методы его определения

38. Адсорбция из раствора на твёрдом адсорбенте

39. Адсорбционные равновесия на неподвижных границах раздела твёрдых фаз. Физическая адсорбция и хемосорбция

Типы адсорбционных взаимодействий

40.Адсорбция из растворов. Уравнение Ленгмюра. Зависимость величины адсорбции от различных факторов.

Зависимость величины адсорбции от:

41. Применения десорбциооных процессов в медицине Применение адсорбционных процессов в медицине

42. Хроматография

43. Специфические свойства вмс.

44. Понятие биогенности химических элементов.

45. Химия биогенных элементов s-блока.

46. Химия биогенных элементов d-блока.

47. Химия биогенных элементов p-блока.

49.Полифункциональные органические соединения

50 Полиамины: этилендиалин.Путресцин.Кадоверин.

51 Гетерофункциональные соединения

52 Б) Оксокислоты-адельгидо- и кетонокислоты

53 Гетерофункциональные производные бензольного ряда как лекарственные средства

54 Гетероциклическими называют циклические органические соединения, в состав цикла которых, помимо атомов углерода, входят один или несколько атомов других элементов (гетероатомов).

13.1.2. Номенклатура

13.2.1. Ароматические свойства

13.2.2. Кислотно-основные и нуклеофильные свойства

13.5.1. Гидроксипурины

55.Фолиевая кислота, биотин, тиамин. Понятие о строении и биологической роли. Представление об алкалоидах и антибиотиках

Эффекты биотина

Физиологические функции

Значение тиамина в спорте

Алкалоиды

Антибио́тики

56.Пептиды и белки

Свойства пептидов

R h2n-сн-соон

Биологическое значение углеводов

Виды углеводов

Гомополисахариды

Влияние мукополисахаридов на стабилизацию структуры коллагена дентины и эмали

58.Нуклеиновые кислоты

60.Полимеры. Понятие о полимерах медицинского назначения.

Полимеры медицинского назначения

20. Буферные растворы, природные буферные системы. Расчёт pH буферных систем, буферная ёмкость.

БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ – растворы, концентрация ионов водорода (рН) которых не изменяется от прибавления ограниченных количеств сильной кислоты или щелочи (см. водородный показатель). Б.р. состоят из смеси раствора слабой кислоты и ее соли сильного основания или, наоборот, - слабого основания и его соли сильной кислоты.

Многие природные жидкости обладают буферными свойствами. Примером может служить вода в океане, буферные свойства которой во многом обусловлены растворенным углекислым газом и гидрокарбонат-ионами НСО3–. Источником последних, помимо СО2, являются огромные количества карбоната кальция в виде раковин, меловых и известняковых отложений в океане. Интересно, что фотосинтетическая деятельность планктона – одного из основных поставщиков кислорода в атмосферу, приводит к повышению рН среды. Происходит это в соответствии с принципом Ле Шателье в результате смещения равновесия при поглощении растворенного углекислого газа. Когда в ходе фотосинтеза из раствора удаляется СО2, равновесие смещается вправо и среда становится более щелочной. В клетках организма гидратация СО2 катализируется ферментом карбоангидразой.

Клеточная жидкость, кровь также являются примерами природных буферных растворов. Так, кровь содержит около 0,025 моль/л углекислого газа, причем его содержание у мужчин примерно на 5% выше, чем у женщин. Примерно такая же в крови концентрация гидрокарбонат-ионов (их тоже больше у мужчин).

Расчет рН буферных систем.

для кислотных буферных систем: рН = рК (кислоты) + lg .

Для основных буферных систем: рН =14 – рК (основания) – lg
где рК (кислоты), рК (основания) - отрицательный десятичный логарифм константы электролитической диссоциации слабой кислоты; слабого основания. Из этих уравнений видно, что рН кислотной (основной) буферной системы зависит от природы слабого электролита (рК (кислоты) , рК (основания) ) и от соотношения концентраций соли и кислоты (основания).

Буферная ёмкость раствора - способность раствора сохранять постоянной концентрацию определённых ионов (обычно применяется к ионам H +).

21. Кислоты и основания по Льюису.

Определение Льюиса . Льюис предложил более общее определение: кислота - это вещество, которое акцептирует электронную пару; основание - это вещество, которое предоставляет электронную пару .

Взаимодействие между кислотой и основанием, согласно этому определению, заключается в возникновении ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму:

На основании определений Льюиса все обычные лиганды (NH 3 , CN - , F - , Cl - и др.) можно рассматривать как основания, а все ионы металлов - как кислоты. Степень сродства иона металла к лиганду называют льюисовской кислотностью, а тенденция лиганда образовывать связи с ионом металла называется льюисовской основностью . Силы кислот и оснований Льюиса могут меняться в зависимости от природы партнера.

22. Гетерогенные равновесия. Произведение растворимости.

Равновесие в гетерогенной системе

в системе при условиях возможен переход вещества из одной фазы в другую. Признаком того, что система также находится в равновесии, т. е. не происходит перехода какого-либо компонента из одной фазы в другую, является равенство удельных химических потенциалов данного компонента в рассматриваемых фазах.

Одним из важнейших законов гетерогенного равновесия является правило фаз. Оно оперирует с основными понятиями о компоненте, фазе и числе степеней свободы. Два первых понятия определены выше.

Под термодинамическими степенями свободы подразумеваются независимые параметры системы, находящиеся в термодинамическом равновесии, которые могут принимать произвольные значения в определенном интервале, причем число фаз не изменяется.

Число степеней свободы (вариантность системы) – это число, указывающее, скольким параметрам, характеризующим состояние равновесной системы, можно давать произвольные значения без того, чтобы число фаз в системе изменилось.

Правило фаз: В изолированной равновесной системе число фаз плюс число степеней свободы равно числу компонентов плюс 2

Произведение растворимости (ПР , K sp) - произведение концентраций ионов малорастворимого электролита в его насыщенном растворе при постоянной температуре и давлении. Произведение растворимости - величина постоянная.