Буферные растворы и буферные системы организма Методические разработки

УДК 54 ББК 24

Х82

Хорунжий, В.В.

Х82 Буферные растворы и буферные системы организма. Методические разработки для студентов по общей химии / В.В. Хорунжий, К.А.Авербург, А.В. Кабанов. – СПб.: СПбГПМУ, 2018. – 28 с.

ISBN 978-5-907065-34-5

Настоящее методическое пособие предназначено для углублённого изучения студентами буферных растворов, существующих в живой и неживой природе. Рассмотрены кислотные и основные буферные системы, понятие буферной ёмкости. Изложены способы решения задач различных типов. Подробно изложены вопросы, касающиеся буферных систем человеческого организма.

Использование этого пособия облегчит усвоение сложных и одновременно ключевых разделов курса, углубит знания в фундаментальных дисциплинах, повысит профилизацию предмета.

Методические разработки предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: лечебное дело – 31.05.01, педиатрия – 31.05.02, стоматология – 31.05.03, медицинская биофизика – 30.05.02, медико-профилактическое дело – 32.05.01.

Авторы

профессор, к.х.н. В.В. Хорунжий, старший преподаватель К.А. Авербург, доцент, к.б.н. А.В. Кабанов.

Рецензенты:

заведующая кафедрой биологической химии СПбГПМУ, профессор Л.А. Данилова, доцент СПб государственного технологического института (ТУ), Н.С. Панина

УДК 54 ББК 24

Утверждено учебно-методическим советом Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский уни-

верситет» Министерства здравоохранения Российской Федерации.

2

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОТОЛИТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ И. БРЕНСТЕДА – Т. ЛОУРИ

Кислоты – это нейтральные молекулы или ионы, способные отдавать протон (доноры протонов).

НА Н+ + А– сопряженная сопряженное

кислота основание

Обратить внимание! Чем легче молекула или ион отдают протон, тем более сильными кислотными свойствами они обладают.

Основания – это нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протон (акцепторы протонов).

В + Н+ ВН+ сопряженное сопряженная основание кислота

Обратить внимание! Чем легче молекула или ион присоединяют протон, тем более сильными основными свойствами они обладают.

Амфолиты – молекулы или ионы, способные отдавать протон тем соединениям, у которых сродство к протону выше, и присоединять протон, отнимая его у соединений с меньшим к протону сродством.

Примеры: Н2О, гидроанионы кислот (HCO 3 , HSO 3 , НРО 24 и т.п.), амфотер-

ные гидроксиды Zn(OH)2, Be(OH)2, Al(OH)3, Cr(OH)3, аминокислоты.

В зависимости от партнера вещество может быть или основанием или кислотой. Кислота превращается в основание, которое называют сопряженным этой кислоте, основание превращается в сопряженную ему кислоту.

Сопряженные частицы кислот и оснований называют протолитами, а

процесс перехода протона от кислоты к основанию называется протолизом.

Обратить внимание! Переход протона всегда происходит в сторону образования более слабых кислот, имеющих большее значение pKa.

Сопряженные пары кислота-основание

(водный раствор при комнатной температуре)

3

Пример 1. рKа(HCN) = 9,16; рKа(NН 4 ) = 9,24.

Так как рKа(NН 4 ) > рKа(HCN), следовательно, NН 4 – более слабая кислота и

перенос протона происходит от HCN к NH3 и, если сродство к протону у реагентов соизмеримо, то наблюдается протолитическое равновесие:

HCN + NH3 NH4CN

Протолитическое или кислотно-основное равновесие устанавливается в результате конкуренции за протон между основаниями взаимодействующих сопряженных кислотно-основных пар (НА, А– и ВН+, В).

Обратить внимание! Протолитическое равновесие всегда смещается в сторону образования более слабых кислот и оснований.

Если несколько одновременно существующих равновесий не зависят друг от друга, то их можно рассматривать как изолированные: смещение равновесия в одном из них не влечет за собой изменение положения равновесия в другом.

Если в одновременно существующих равновесиях имеется несколько тождественных по типу химической реакции частиц, то их можно рассматривать как совмещенные (сопряженные, конкурирующие): изменение положения в одном из них влечет за собой изменения и в других. Таким образом, процессы, развивающиеся в системах, содержащих несколько тождественных сходных по свойствам частиц, конкурируют между собой.

Согласно справочным данным рKа(NН 4 ) = 9,24; рKа(СН3NН 3 ) = 10,66.

4

Пользуясь справочными данными, сравниваем: рKв(СН3СОО–) = 9,24; рKв(НСОО–) = 10,25. Так как рKв(СН3СОО–) < рKв(НСОО–), следовательно, НСОО– более слабое основание, чем СН3СОО– и, соответственно, НСООН более сильная кислота по сравнению с СН3СООН, поэтому муравьиная кислота будет подавлять ионизацию уксусной кислоты.

2. БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ

Буферные системы позволяют живому организму (как открытой системе!) реализовать принцип Ле-Шателье: противодействовать влиянию внешних факторов, снижающих или увеличивающих рН его жидких сред, т.е. сохранять гомеостаз.

Определение

Буферными растворами называются растворы, концентрация H+ или OH- в которых практически не изменяются при введении небольших количеств сильных кислот или щелочей, а также при разбавлении.

или:

Буферные растворы – это равновесные системы, способные поддерживать постоянство рН при введении небольших количеств сильных кислот или щелочей, а также при разбавлении.

Классификация

Буферные растворы делятся на: а) кислотные б) основные Буферные растворы, как правило, состоят из:

1.слабых кислот и их солей, включающих катион сильного основания, причем в соли содержится анион кислоты, содержащий на один H меньше, чем в ее молекуле;

2.слабых оснований и их солей, включающих анион сильной кислоты;

3.из смеси двух кислых или кислой и средней соли слабой кислоты, причем анионы солей по составу отличаются на один H (средних) солей.

Наиболее применяемыми на практике буферными системами являются:

5

Кислотные буферные системы:

CH3COOH

Ацетатная: CH3COONa

pKa=4.75

H2CO3 pKa=6.37

Гидрокарбонатная: NaHCO3

NaH2PO4

Фосфатная: Na2HPO4

pKa=7.21

Основные буферные системы:

NH4OH

pKb=9.25 (14-4.75)

Аммонийная: NH4Cl

Обратить внимание! Непременно один из компонентов буферной системы – слабый электролит, поскольку в процессе буферного действия происходит изменение именно его концентрации, а это приводит к незначительному изменению рН раствора.

Механизм буферного действия

Механизм буферного действия рассмотрим на примере кислотного буферного раствора, например, ацетатного.

а) при добавлении HCl

В данном случае резкому сдвигу рН в кислую область препятствует соль, точнее ее анион, являющийся основанием Бренстеда:

CH3COONa + HCI CH3COONa + NaCl

В ионном виде:

CH3COO- + H+ CH3COOH

рН изменяется незначительно, поскольку:

сильная кислота HCl заменяется эквивалентным количеством слабой

CH3COOH;

повышение концентрации СН3СООН сопровождается уменьшением степени диссоциации .

б) при добавлении NaOH

В этом случае происходит реакция нейтрализации:

CH3COOH + NaOH CH3COONa + H2O

6

В ионном виде:

CH3COOH + OH- H2O + CH3COO-

Напомним, что вода является очень слабым электролитом: α =1,83∙10-9 (при 25°C)

рН изменяется незначительно, так как:

1.ОН- – ионы, которые могут резко изменить рН, связываются в воду;

2.активная кислотность уксусной кислоты, несмотря на расход во время реакции, останется практически неизменной за счет потенциальной кислотности.

3.ВЫВОД ФОРМУЛ ДЛЯ РАСЧЕТА РН В БУФЕРНЫХ РАСТВОРАХ.

ЗОНА БУФЕРНОГО ДЕЙСТВИЯ

Вывод формул для расчета рН

а) кислотная буферная система

Врастворе ацетатного буферного раствора происходит диссоциация кислоты

исоли, причем наличие одноименного иона (ацетат-ион соли) подавляет диссоциацию слабой кислоты.

CH3COOH H+ + CH3COO−

CH3COONa → Na+ + CH3COO−

Здесь необходимо подчеркнуть, что 1) равновесная концентрация уксусной кислоты практически равна исход-

ной, поскольку, с одной стороны кислота сама по себе слабая, к тому же диссоциация её подавлена одноименным ионом СН3СОО-, присутствующим в больших количествах из-за диссоциации соли, т.е. [CH3COOH] = Ск-ты.

2) концентрация ионов СН3СОО– – практически равна исходной концентра-

ции соли [CH3COO-] = Ссоли, поскольку соль диссоциирована нацело, а количество ацетат-ионов, поставляемых в раствор кислотой, чрезвычайно мало.

Учитывая вышесказанное, в выражение константы диссоциации уксусной кислоты можно внести исходные концентрации компонентов буферной систе-

Н Ка Сс

Ск

Прологарифмируем, умножим обе части равенства на (-1) и получим уравнение:

рН рКа lg Сс 1

Ск

7

В общем случае:

pH рК lg Ссопр.основание (2)

а Ссопр.кислота

б) основная буферная система

Подобные рассуждения можно применить и для основного основной буферной системы. Получим формулы:

Обратить внимание! Для студентов, «имеющих проблемы с математикой», расчет по уравнениям (1) и (5) можно упростить:

Сначала рассчитать концентрацию [H+] [OH-], воспользовавшись уравнениями

и затем найти рН или рОН соответствующих буферных растворов.

Обратить внимание! В формулах 1–5 под знаком логарифма могут стоять не только концентрации, но и величины, пропорциональные им – количества вещества эквивалентов, равные произведению:

Cэкв(к-ты) ·V(к-ты); Cэкв(соли) ·V(соли); Cэкв(осн.) ·V(осн.);

В литературе, наряду с Cэкв(в-ва), по-прежнему встречаются обозначения Сн (в-ва) и Nв-ва , что соответствует нормальным концентрациям веществ.

Следовательно, формула (1) может принимать вид:

8

Обратить внимание! рН буферных систем зависит от:

–природы слабого электролита (рК);

–от соотношения компонентов буферной системы;

–от температуры (изменяются рК и α)

Абсолютные концентрации компонентов практически не влияют на значение рН. В действительности, рН буферных растворов при разбавлении все-таки изменяется, однако, незначительно, что связано с изменением степени диссоциации слабого электролита, коэффициента активности сильного электролита, а при очень больших разбавлениях – с усилением процесса гидролиза соли (табл. 2).

Таблица 2

Область буферного действия

Из уравнения буферных систем видно, что рН буферных систем зависит от

природы слабого электролита (Ka или Kb) и соотношения компонентов. Достаточное буферное действие наблюдается в том случае, если соотноше-

ние концентраций компонентов не превышает 10, то есть:

что означает рН = рKа 1 или рН = [14-рKb] 1

4. СВОЙСТВА БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ

Влияние на рН буферных систем:

– природы слабого электролита;

Пример 4: При равных концентрациях компонентов, в какой из буферных систем значение рН больше:

а) СН3СООН /CH3COONa ( рКа 4,76)

б) СН2ClCOOH/CH2ClCOONa ( рКа 2,87)

Ответ: рН ацетатного буферного раствора выше.

9