Буферные растворы

Растворы, сохраняющие значение рН при разбавлении или добавлении в них небольшого количества сильной кислоты или щелочи, называются буферными.

Буферными обычно являются растворы, которые в качестве компонентов содержат слабую кислоту и ее соль или слабое основание и его соль, а также смеси солей многоосновных кислот различной степени замещения.

Количество моль-эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, которые нужно добавить к 1л буферного раствора, чтобы изменить его pH на единицу называется буферной емкостью (β).

Буферная емкость характеризует способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении кислоты или щелочи. Математически буферная емкость определяется следующим образом:

а) буферная емкость по кислоте:

б) буферная емкость по щелочи:

где V(HA), V(BОН) – объемы добавленной кислоты НА или щелочи ВОН, мл или л;

V_б.р. – объем буферного раствора, мл или л;

△рН =│рН – рН₀│ – разность рН по модулю.

Единица измерения буферной емкости – моль/л.

Для расчета рН буферных растворов используют специальные формулы.

Для растворов, образованных слабой кислотой и ее солью:

рН= рК_а + lg (C_c /C_к)

где рК_а = – lgК_а,

К_а – константа диссоциации кислоты, табличная величина;

рН – водородный показатель;

С_с – концентрация соли, моль/л;

С_к – концентрация кислоты, моль/л.

Для растворов, образованных слабым основанием и его солью:

рН = 14 – рК_b – lg (C_c /C_осн)

где рК_b = –lgК_b,

К_b – константа диссоциации основания, табличная величина;

рН – водородный показатель;

С_с – концентрация соли, моль/л;

С_осн – концентрация основания, моль/л.

Если представить концентрацию через отношение количества растворенного вещества к объему раствора, то формулы примут вид

Очень важна роль буферных растворов в биохимических процессах.

В качестве примера влияния рH на живые организмы можно привести опыт по изучению условий развития неоплодотворенных яиц морского ежа. В воде Атлантического океана они развиваются хорошо, а в воде Тихого океана не развиваются. Оказывается, что вода Атлантического океана содержит в 10 раз меньше водородных ионов (рН = 9), чем вода Тихого океана (рН =8). При подщелачивании тихоокеанской воды до рН = 9, неоплодотворенные яйца морского ежа развиваются так же, как и воде Атлантического океана.

Физиологические жидкости характеризуются постоянством рН (таблица 1).

Таблица 1. Величина рН различных физиологических жидкостей

Физиологическая жидкость	рН	Физиологическая жидкость	рН
кровь	7,4 ± 0,05	слёзная жидкость	7,4 ± 0,1
слюна	6,35…6,85	желудочный сок	1,5…2,0
сок поджелудочной железы	7,5 – 8,0	содержимое тонкого кишечника	7,0 -8,0
желчь в протоках	7,4 – 8,5	женское молоко	6,6 – 6,9
желчь в пузыре	5,4 – 6,9	спинно – мозговая жидкость	7,4 ± 0,05

Постоянство рН физиологических жидкостей является необходимым условием нормального течения биохимических процессов в организме. Особое значение для жизнедеятельности организма имеет устойчивость рН крови (7,33-7,47). Небольшие изменения рН крови за пределами указанных границ (рН < 7,33 и > 7,44) свидетельствуют о серьезных нарушениях физиологических и физико-химических механизмов компенсации, ведущих к развитию алкалоза или ацидоза. Значения рН крови ниже 6,8 и выше 7,8 несовместимы с жизнью. Для поддержания постоянного значения рН в крови присутствуют 4 буферные системы.

При сдвигах содержания ионов Н⁺ в крови и других средах организма (как при увеличении, так и при снижении их количества) сначала срабатывают быстродействующие и мощные химические буферные системы плазмы и эритроцитов (гемоглобиновая, бикарбонатная, фосфатная, белковая).

Гемоглобиновая буферная система является основным буфером эритроцитов крови и составляет около 75% всей буферной ёмкости крови. Гемоглобин (Нb), как и другие белки, – амфолит, то есть, гемоглобиновая буферная система состоит из кислого компонента (оксигемоглобина НbО₂) и основного компонента (восстановленного Нb). Показано, что гемоглобин – более слабая кислота (примерно в 70 раз), чем оксигемоглобин. Кроме того, Нb поддерживает постоянство рН благодаря связыванию СО₂ и переносу его из ткани в лёгкие и далее во внешнюю среду.

Бикарбонатная (гидрокарбонатная) буферная система является основным буфером плазмы крови и внеклеточной жидкости и составляет примерно 15% общей буферной ёмкости крови. Она представлена во внеклеточной среде угольной кислотой (Н₂СО₃) и гидрокарбонатом натрия (NaHCO₃). Эта буферная система обеспечивает, с одной стороны, образование NaHCО₃, с другой – образование угольной кислоты (H⁺ + НСО₃^–  Н₂СО₃) и распад последней под влиянием фермента карбоангидразы до Н₂О и СО₂. Углекислый газ удаляется лёгкими при выдохе, при этом сдвига рН не происходит. Данная буферная система препятствует сдвигам рН при внесении в биологическую среду сильных кислот и оснований в результате превращения их либо в слабые кислоты, либо в слабые основания. Гидрокарбонатная буферная система – система открытого типа, которая ассоциирована с функцией как системы внешнего дыхания, так почек и кожи.

Фосфатная буферная система – смесь дигидро- и гидрофосфатов натрия (NaH₂PО₄ и Na₂HPО₄). Первое соединение ведёт себя как слабая кислота, второе – как слабое основание. Образовавшиеся в организме и поступившие в кровь кислоты взаимодействуют с Na₂HPО₄, а основания – с NaH₂PО₄. В итоге рН крови сохраняется неизменным. Фосфаты выполняют буферную роль главным образом во внутриклеточной среде (особенно клеток канальцев почек) и поддерживают исходное состояние бикарбонатного буфера.

Белковая буферная система выполняет роль внутриклеточной буферной системы. Обладая амфолитными свойствами, в кислой среде они ведут себя как основания, а в щелочной среде – как кислоты. Белковая буферная система состоит из слабодиссоциирующего белка с кислотыми свойствами (белок-СООН) и белка в комплексе с сильными основаниями (белок-COONa). Эта буферная система также способствует предупреждению сдвига рН крови.

Позже (через несколько минут и часов) срабатывают физиологические (органные и системные) механизмы компенсации и устранения сдвигов кислотно-основного состояния (осуществляемые лёгкими – с выдыхаемым воздухом, почками – с мочой, кожей – с потом, печенью и другими органами пищеварительного тракта – с калом).