Буферні розчини.

Буферними називають розчини, які здатні зберігати значення рН при розведенні або при додаванні невеликих кількостей кислоти чи лугу, а також при їх концентруванні.

До таких розчинів належать:

1) розчини, що містять слабку кислоту і сіль цієї кислоти з сильною основою: СН₃СООН + СН₃СООNa- ацетатний буфер рН (3,72-5,57) (4,65)

2) розчини, що містять слабку основу і сіль цієї основи з сильною кислотою NН₄0Н + NH₄Cl - аміачний буфер pН (8,43-10,28) (9,37)

3) розчини, що містять солі багатоосновних слабких кислот Nа₂НР0₄ + NаН₂P0₄ - фосфатний буфер pН( 5,91-7,73) (6,81)

рН для даного складу буферу є величина постійна, однак змінюючи співвідношення в концентрації кислоти і солі можна одержувати в кожному випадку інше значення pН буферної системи, яка може бути в деяких певних границях.

Механізм дії буферних розчинів.

В ацетатному буфері кислота і сіль піддаються дисоціації

С НзСООН СНзСОО^- +Н⁺

СНзСООNа СНзСОО^- + Nа⁺

Якщо до такого розчину додати кислоту, яка в розчині протолізується

НСІ + Н₂О = СІ^- + Н₃О⁺

то в розчині буде проходити реакція нейтралізації.

С Н₃СОО^- + Н₃О⁺ СН₃СООН + Н₂О

Отже, H⁺ сильної кислоти зв’язуються з аніонами слабкої кислоти, яка є малодисоційованою і тому реакція середовища майже не змінюється.

Якщо ж до цього самого розчину додати сильну основу NаОН, то будуть відбуватись такі процеси:

електролітична дисоціація NаОН = Na⁺ + ОН^-

протоліз СНзСООН+Н₂О = СН₃СОО^- +Н₃О⁺

нейтралізація Н₃О⁺+ ОН^- = 2Н₂О

Отже, реакція середовища майже не змінюється.

Для розрахунку pН кислотного буферного розчину використовують формулу:

звідси

або

а для основних буферів рівняння Гендерсона-Гассельбаха:

або

Здатність буферних розчинів протидіяти зміні pН називають буферною дією. Межі, в яких проявляється ця дія називається буферною ємністю.

Буферна ємність - це розрахункова величина, яка визначається кількістю еквівалентів сильної кислоти п (1/1 НСІ) або п(1/2 Н₂S0₄) або сильної основи п (1/1 NаОН), п(1/2 Вa(ОН)₂) що треба додати до 1 л. буферного розчину, щоб pН змінився на одиницю.

Якщо В - буферна ємність, а п (Н₃О⁺) і п (ОН^-) — молярні концентрації еквівалентів відповідно кислоти і основи, то

Із досліджувальної пари співвідношення концентрацій кислоти до солі =1 : 10

pН = pК_A ± 1

Якщо С солі = С кислоти, то pН = pК_A

Біохімічні буферні системи.

В організмі є 4 біохімічні буферні системи: гідрокарбонатна, фосфатна, гемоглобінова і білкова, кожна з них має в своєму складі слабку кислоту і її сіль з сильною основою.

Гідрокарбонатні буферні системи - найбільш сильний буфер плазми крові і позаклітинної рідини. Значення рН плазми залежить від співвідношення компонентів буферної системи, яке для рН =7,4 складає:

[ НСО₃^-] : [ Н₂СО₃] = 20 : 1

Робота гідрокарбонатної буферної системи спрямована на нейтралізацію кислих і лужних продуктів. Якщо у систему надходять кислі продукти (наприклад НСІ), то відбуваються такі протолітичні реакції:

НСІ + Н₂0 = Сl + Н_зO⁺

NаНСО₃ = Nа⁺ + НСО₃^-

Н₃О⁺ + НСО₃^- = Н₂СО₃ + Н₂О

Таким чином надлишкова концентрація йонів нейтралізується з утворенням слабкої карбонатної кислоти, надлишок якої в присутності ферменту карбоангідрази (КА) розкладається:

Н₂СО₃ = СО₂ + Н₂О

СО₂ вилучається через легені і рівновага знову відновлюється.

При надходженні лужних продуктів у реакцію вступає кисла частина буферної системи:

NаОН = Nа⁺ + ОН^-

Н₂СО₃ + ОН^- = НСО₃^- + Н₂О

У цьому випадку сильна основа зaмінюється йонами НСО₃^-, які виводяться нирками.

Фосфатна система - найбільш сильний внутршньоклітинний фактор.Складається з : Н₂PO₄^-+ НPO₄^-2. pН = 7,4

Білкова буферна система складається в основному з альбумінів плазми, які є амфолітами, бо містять всередині самої молекули як кислотні групи –СООН, які можуть взаємодіяти з основними факторами, так і аміногрупи -NH₂, які маючи основні властивості взаємодіють з кислотними факторами.

Буферна система оксигемоглобін – гемоглобін характеризується рівновагою між йонами гемоглобіну Нb^- і гемоглобіном ННb, який є досить слабкою кислотою (К_HHb =6,3 ^. 10 ^-9)

Нb^- + Н₃О⁺ = ННb + Н₂О

Нb^- + Н₂О = ННb + ОH^-

Гемоглобін HНb приєднює кисень і утворює оксигемоглобін HНb0₂

HНb + О₂ = HНbО₂

При цьому йони Нb0₂^- теж взаємодіють з кислотними і основними факторами.

HbО₂^- + Н₃О⁺ = HНbО₂ + Н₂О

HbО₂^- + Н₂О = HНbО₂ + ОН^-

Таким чином всі рівноваги гемоглобінової системи пов’язані між собою. Частка цієї буферної системи становить ~ 75% буферної ємності крові.

Наявність таких буферних систем в організмі дозволяє нам переносити кислі і лужні продукти, які потім нейтралізуються і в цілому система людини має постійний кислотно-основний баланс.

Особливо важливе значення кислотно-основний баланс має для стану зубів, які приймають на себе вплив з навколишнього середовища кислотних і основних факторів.

Приклади роз’язування задач.

Задача 1.

Аміачна буферна система складається з 100 мл розчину гідроксиду амонію з молярною концентрацією еквівалентів 0,1 моль/л і 50 мл хлориду амонію з молярною концентрацією еквівалентів 0,2 моль/л. ( ). Визначити рН даної системи. Як зміниться рН даного аміачного буферу при доливанні до нього 10 мл розчину кислоти з молярною концентрацією еквівалентів 0,2 моль/л.

Розв'язок:

Так як аміачна буферна система при дисоціації NH₄OH = NH₄⁺ + OH^- утворює йони ОН^-, то їх концентрацію можна розрахувати за формулою:

, звідси

Якщо до даного розчину додати кислоти, то кількість основи в ньому зменшиться і згідно попереднього рівняння можна визначити концентрацію [OH^-] в даному буфері:

Отже, рН системи зміниться із 9,25 до 9,16

Задача 2.

Розрахуйте які об’єми розчинів гідрофосфату і дигідрофосфату натрію з молярними концентраціями еквівалентів 0,1 моль/л треба взяти для приготування 100 мл буферного розчину з рН 6,8. ( )

Розв'язок:

Якщо буферний розчин має рН 6,8 то можна визначити концентрацію [H⁺] визначивши антилогарифм числа –6,8.

-6,8=-7+0,2

10^-6,8=10^0,2*10^-7=1,59*10^-7

Використавши попередню формулу:

приймемо за V_К= = х, а V_C= =100-x

Розв’язок рівняння дасть

2,56(100-х) = х

256 = ,56*х

х = 72

Отже, для приготування 100 мл фосфатного буферу необхідно взяти 72 мл розчину NaH₂PO₄ і 100-72 = 28 мл розчину Na₂HPO₄ з молярною концкнтрацією еквівалентів 0,1 моль/л.

Заняття №6

Тема: Йонний добуток води. Водневий показник.

Актуальність теми: Біохімічні процеси в організмі людини проходять у водних розчинах. При цьому водне середовище може бути нейтральним, кислим чи основним. Організм успішно справляється з кислотно-основною рівновагою і рН біологічних рідин залишається сталим, що забезпечує його нормальний життєвий рівень. Знання рН біологічних рідин дозволяє виявити патологічні зміни в організмі, попереджувати хвороби.

Навчальні цілі:

Знати: Значення рН шлункового соку, слини і інших біологічних рідин, від чого залежить значення рН різних розчинів.

Вміти: Визначати рН розчинів за допомогою індикаторів. Розраховувати теоретичне значення рН різних розчинів.