Добавил:
kiopkiopkiop18@yandex.ru Вовсе не секретарь, но почту проверяю Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1 курс / Химия / Основные_типы_химических_реакций_и_процессов_в_функционировании

.pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
24.03.2024
Размер:
2.51 Mб
Скачать

3.Чем выше концентрация растворенного вещества в растворе, тем:

а) ниже температура кипения, б) выше температура кипения, в) температура равна 00С, г) сначала идет повышение температуры, а затем понижение.

4.Эбуллиоскопической константой называется:

а) повышение температуры кипения, которое происходит при растворении 1 моля вещества в 1000 г растворителя, б) понижение температуры кипения, которое происходит при растворении 1 моля вещества в 1000 г растворителя,

в) повышение температуры кипения, которое происходит при растворении 1 моля вещества в 100 г растворителя, г) понижение температуры кипения, которое происходит при растворении 1 моля вещества в 100 г растворителя,

4.Какой из водных растворов имеет самое высокое осмотическое давление, если в их равных объѐмах содержатся одинаковые массы следующих веществ?

а) СН3ОН, б) С3Н8О3, в) С2Н5ОН,

г) СН3СОСН3

ТЕСТ 3

1.Движение растворителя из окружающей среды в осмотическую ячейку называют: а) экзоосмосом, б) эндосмосом, в) тургором, г) диффузией.

2.Осмотическое давление рассчитывается по закону:

а) Шредингера, б) Гейзенберга, в) Вант Гоффа, г) Рауля.

3.Неограниченно смешиваются друг с другом?

а) вода + бензол,

б) вода + этиловый спирт,

в) вода + сахароза,

г) гексан + гептан.

4.Изотоническими растворами называются растворы, у которых: а) осмотическое давление одинаково, б) осмотическое давление неодинаково,

в) концентрации растворов равны между собой, г) осмотическое давление равно 0.

5.Факторы, свидетельствующие о химизме процесса растворения? а) диффузия, б) тепловой эффект, в) контракция, г) изменение окраски раствора.

ТЕСТ 4

1.Движение растворителя из осмотической ячейки в окружающую среду называется: а) эндоосмосом, б) экзоосмосом, в ) диффузией,

г) растворением.

2.Плазмолиз – это процесс сжатие и сморщивание оболочки клетки, он наступает в результате:

а) эндоосмоса, б) экзоосмоса, в) диффузии, г) нагревании.

3.Основную роль осморегуляции выполняют: а) легкие, б) печень и поджелудочная железа, в) почки, г) кровь.

71

4.Чем выше концентрация растворенного вещества в растворе, тем:

а) ниже температура кипения, б) выше температура кипения, в) температура равна 00С, г) сначала идет повышение температуры, а затем понижение.

5.Если ∆Н растворения больше нуля – это процесс:

а) эндотермический, б) экзотермический, в) сбалансированный, г) атермический.

ТЕСТ 5

1.Гипотоническими растворами называются растворы, у которых: а) осмотическое давление одинаково, б) осмотическое давление неодинаково, в) осмотическое давление низкое, г) осмотическое давление высокое.

2.Осмотическое давление рассчитывается по закону:

а) Шредингера, б) Гейзенберга, в) Вант Гоффа, г) Рауля.

3.Эбуллиоскопической константой называется:

а) повышение температуры кипения, которое происходит при растворении 1 моля вещества в 1000 г растворителя, б) понижение температуры кипения, которое происходит при растворении 1 моля вещества в 1000 г растворителя,

в) повышение температуры кипения, которое происходит при растворении 1 моля вещества в 100 г растворителя, г) понижение температуры кипения, которое происходит при растворении 1 моля вещества в 100 г растворителя,

4.Какой из водных растворов имеет самое высокое осмотическое давление, если в их равных объѐмах содержатся одинаковые массы следующих веществ?

а) СН3ОН, б) С3Н8О3, в) С2Н5ОН,

г) СН3СОNa

5.Испарение – это процесс:

а) экзотермический, б) атермический, в) эндотермический, г) сначала идет с выделением тепла, а затем с поглощением.

Ответы к тестам для самоконтроля

 

 

Номер вопроса

 

 

теста

1

2

 

3

 

4

5

1

б

 

 

б

 

а

а

2

а

в

 

б

 

а

б

3

б

в

 

б

 

а

б

4

б

б

 

в

 

б

а

5

в

в

 

а

 

г

в

72

Занятие 5. Буферные растворы

Цель занятия:

Сформировать у студентов системные знания о буферных растворах, их свойствах, механизме действия, их взаимосвязи и роли в поддержании кислотно – основного гомеостаза организма, наиболее важных показателях кислотно – основного гомеостаза, механизмах его поддержания.

Студент должен знать:

Механизм действия буферных систем организма, их взаимосвязь и роль в поддержании кислотно-основного состояния организма. Классификацию буферных растворов, зона буферного действия, буферную емкость и факторы, ее определяющие. Расчет рН протолитических систем. Буферные системы крови.

Студент должен уметь:

Прогнозировать влияние различных факторов на величину рН и буферной ѐмкости буферных систем и биологических жидкостей и механизмы действия буферных растворов в зависимости от их типа, количественно рассчитывать величину рН буферных растворов и буферной ѐмкости.

5.1.Буферные растворы

Для живых организмов характерно поддержание кислотно-основного гомеостаза на определенном уровне. Это находит выражение в достаточно постоянных значениях рН биологических сред и способности восстанавливать нормальные значения рН при воздействии протолитов. В процессе метаболизма в организме постоянно происходит синтез, распад и взаимодействие огромного количества химических соединений. Все эти процессы осуществляются при помощи ферментов, активность которых связана с определѐнным значением рН.

Обеспечение постоянства рН крови и других органов и тканей является одним из важнейших условий нормального существования организма. Это обеспечение достигается наличием в организме многочисленных регулирующих систем, важнейшими из которых являются буферные системы. Последние играют основную роль в поддержании КОР в организме как в условиях физиологии, так и патологии.

Кроме того, материал данной темы необходим для изучения последующих тем предмета (потенциометрия, свойства растворов ВМС и т.д.) и таких дисциплин как биохимия, микробиология, гистология, гигиена, физиология, в практической деятельности врача при оценке типа и тяжести нарушений КОР.

Одним из основных свойств живых организмов является поддержание кислотно-основного гомеостаза на определенном уровне. Протолитический гомеостаз – постоянство рН биологических жидкостей, тканей и органов. Это находит выражение в достаточно постоянных значениях рН

73

избыток сопряженного основания

биологических сред (крови, слюны, желудочного сока и т.д.) и способности организма восстанавливать нормальные значения рН при воздействии протолитов. Система, поддерживающая протолитический гомеостаз, включает в себя не только физиологические механизмы (легочную и почечную компенсацию), но и физико-химические: буферное действие, ионный обмен и диффузию.

Буферными растворами называются растворы, сохраняющие неизменными значения рН при разбавлении или добавлении небольшого количества сильной кислоты или основания. Протолитические буферные растворы представляют смеси электролитов, содержащие одноимѐнные ионы.

Различают в основном протолитические буферные растворы двух типов: Кислотные т.е. состоящие из слабой кислоты и избытка сопряженного с ней основания (соли, образованной сильным основанием и анионом этой

кислоты). Например: СН3СООН и СН3СООNa - ацетатный буфер

СН3СООН + Н2О ↔ Н3О+ + СН3СОО- кислота

СН3СООNa → Na+ + CH3COO-

Основные, т.е. состоящие из слабого основания и избытка сопряженной с ним кислоты (т.е. соли, образованной сильной кислотой и катионом этого основания). Например: NH4OH и NH4Cl – аммиачный буфер.

NH3 + H2O ↔ OH- + NH4+

избыток сопряженной

основание

кислоты

NH4Cl → Cl- + NH4+

 

Уравнение буферной системы рассчитывается по формуле ГендерсонаГассельбаха:

рН = рК + ℓg

Ссол и

, pOH = pK + ℓg

Ссол и

,

 

 

 

Скисл оты

Соснов ания

где рК = -ℓg КД.

С – молярная или эквивалентная концентрация электролита (C = V N)

Механизм действия буферных растворов

Рассмотрим его на примере ацетатного буфера: СН3СООН + СН3СООNa Высокая концентрация ацетат-ионов обусловлена полной диссоциацией сильного электролита – ацетата натрия, а уксусная кислота в присутствии одноименного аниона существует в растворе практически в неионизированном виде.

1. При добавлении небольшого количества хлороводородной кислоты, ионы Н+ связываются с имеющимся в растворе сопряженным основанием СН3СОО- в слабый электролит СН3СООН.

74

CH3COO ‾ +H + ↔ CH3COOH (1)

Из уравнения (1) видно, что сильная кислота НС1 заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты СН3СООН. Количество СН3СООН увеличивается и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации уменьшается. В результате этого концентрация ионов Н+ в буфере увеличивается, но очень незначительно. рН сохраняется постоянным.

При добавлении кислоты к буферу рН определяется по формуле:

рН = рК + ℓg Скисл оты

Vк

Nк к

 

Ссол и

Vк

Nк

2. При добавлении к буферу небольшого количества щелочи протекает реакция еѐ с СН3СООН. Молекулы уксусной кислоты будут реагировать с гидроксид-ионами с образованием Н2О и СН3СОО :

CH3COOН + OH ↔ CH3COO ‾ + H2O (2)

В результате этого щелочь заменяется эквивалентным количеством слабоосновной соли CH3COONa. Количество СН3СООН убывает и по закону разбавления В.Оствальда степень диссоциации увеличивается за счет потенциальной кислотности оставшихся недиссоциированных молекул СН3СООН. Следовательно, концентрация ионов Н+ практически не изменяется. рН остаѐтся постоянным.

При добавлении щелочи рН определяется по формуле:

рН = рК + ℓg Ссол и Vщк Nщ

Скисл оты Vщ Nщ

3. При разбавлении буфера рН также не меняется, т.к. константа диссоциации и соотношение компонентов при этом остаются неизменными. Таким образом, рН буфера зависит от: константы диссоциации и соотношения концентрации компонентов. Чем эти величины больше, тем больше рН буфера. рН буфера будет наибольшим при соотношении компонентов равным единице.

Для количественной характеристики буфера вводится понятие

буферной ѐмкости.

5.2.Буферная ѐмкость

Это способность буферной системы противодействовать изменению рН среды.

Интервал значений рН, выше и ниже которого буферное действие прекращается, называется зоной буферного действия.

Она равна рН = рК ± 1 Буферная ѐмкость (В) выражается количеством моль-эквивалентов

сильной кислоты или щелочи, которое следует добавить к одному литру буфера, чтобы сместить рН на единицу.

75

В =

nэ

 

nЭ

pHк рНн

 

рН

В – буферная ѐмкость,

nЭ – количество моль-эквивалента сильной кислоты или щелочи, рНН – начальное значение рН ( до добавления кислоты или щелочи) рНК – конечное значение рН (после добавления кислоты или щелочи)

рН – изменение рН.

На практике буферная ѐмкость рассчитывается по формуле:

В =

V

N

 

 

Vбуф.

рН

V – объѐм кислоты или щелочи,

N – эквивалентная концентрация кислоты или щелочи, Vбуф.- объѐм буферного раствора,

рН – изменение рН.

О противодействии изменению рН крови свидетельствуют следующие данные. Чтобы сдвинуть рН крови на единицу в щелочную область, нужно прибавить в кровь в 70 раз больше количества NaOH, чем в такой же объѐм чистой воды. Для изменения рН на единицу в кислую область, следует в кровь добавить в 320 раз больше количества соляной кислоты, чем к такому же объѐму чистой воды.

Буферная ѐмкость зависит от концентрации электролитов и соотношения компонентов буфера. Наибольшей буферной ѐмкостью обладают растворы с большей концентрацией компонентов и соотношением компонентов, равным единице.

Буферная ѐмкость артериальной крови 25,3 ммоль/л, венозной – 24,3 ммоль/л, слюна обладает буферной ѐмкостью и определяется бикарбонатной, фосфатной и белковой системами. Буферная ѐмкость слюны изменяется под влиянием ряда факторов: углеводистая диета снижает буферную ѐмкость слюны, высокобелковая диета – повышает еѐ. Поражаемость зубов кариесом меньше у лиц с высокой буферной ѐмкостью.

В организме человека действуют белковый, гемоглобиновый, фосфатный и бикарбонатный буферы.

5.3.Буферные системы организма.

Бикарбонатный буфер.

Он составляет 53 % буферной ѐмкости и представлен:

Н2СО3

 

NaHCO3

Соотношение 1 : 20

Бикарбонатный буфер представляет собой основную буферную систему плазмы крови; он является системой быстрого реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами СО2 – быстро выводится через легкие. Помимо плазмы, эта буферная система содержится в эритроцитах, интерстициальной жидкости, почечной ткани.

76

Механизм действия.

1.В случае накопления кислот в крови уменьшается количество НСО3-

ипроисходит реакция: НСО3- + Н+ ↔ Н2СО3 ↔ Н2О + СО2↑. Избыток удаляется лѐгкими. Однако значение рН крови остаѐтся постоянным, так как увеличивается объѐм лѐгочной вентиляции, что приводит к уменьшению объѐма СО2

2.При увеличении щелочности крови концентрация НСО3- увеличивается: Н2СО3 + ОН- ↔ НСО3- + Н2О.

Это приводит к замедлению вентиляции лѐгких, поэтому СО2 накапливается в организме и буферное соотношение остаѐтся неизменным.

Гемоглобиновый буфер Составляет 35 % буферной ѐмкости.

Главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной ѐмкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и СО2. Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль сразу в нескольких физиологических процессах: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови.

Она представлена двумя слабыми кислотами – гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженными им основаниями – соответственно

гемоглобинат- и оксигемоглобинат-ионами:

HHb ↔ H+ + Hb-

HHbO2 ↔ H+ HbO2-

Оксигемоглобин – более сильная кислота (рКа = 6,95), чем гемоглобин (рКа = 8,2). При рН = 7,25 (внутри эритроцитов) оксигемоглобин ионизирован на 65%, а гемоглобин – на 10%, поэтому присоединение кислорода к гемоглобину уменьшает значение рН крови, так как при этом образуется более сильная кислота. С другой стороны, по мере отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях значение рН крови вновь увеличивается.

Буферные свойства ННb прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия кислореагирующих соединений с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:

КНb + Н2СО3 ↔ КНСО3 + ННb.

Образующийся гидрокарбонат (КНСО3) уравновешивает количество поступающей Н2СО3, рН сохраняется, так как происходит диссоциация потенциальных молекул Н2СО3 и образовавшихся гемоглобиновых кислот.

Именно таким образом поддерживается рН крови в пределах нормы, несмотря на поступление в венозную кровь огромного количества СО2 и других кислореагирующих продуктов обмена.

77

Вкапиллярах лѐгких гемоглобин (ННb) поглощает кислород и

превращается в HHbO2, что приводит к некоторому подкислению крови, вытеснению некоторого количества Н2СО3 из бикарбонатов и понижению щелочного резерва крови, а в тканях отдает его и поглощает СО2.

Влѐгких: ННb + O2 ↔ HHbO2;

-↔ HbO2 + H2O + CO2

-+ O2; Hb- + Н2СО3 ↔ ННb + HCO3-

Кроме того, гемоглобиновый буфер является сложным белком и действует как белковый буфер.

Фосфатный буфер Составляет 5 % буферной ѐмкости. Содержится как в крови, так и в

клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями К2НРО4 и КН2РО4, а в плазме крови и в межклеточной

жидкости Na2HPO4 и NaH2PO4. Функционирует в основном в плазме и включает: дигидрофосфат ион Н2РО4- и гидрофосфат ион НРО42-.

Отношение [HPO4 2- ]/[H2PO4-] в плазме крови (при рН = 7,4) равно 4 : 1. Следовательно, эта система имеет буферную ѐмкость по кислоте больше, чем по основанию.

Например, при увеличении концентрации катионов Н+ во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной

пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО4 2- :

Н + + НРО4 2- ↔ Н2РО4 1-

Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи.

При увеличении концентрации оснований в организме, например при

употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н2РО4 1-: ОН + Н2РО4 1- ↔ НРО4 2- + Н2О

Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается.

Выведение тех или иных компонентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал значений рН мочи – от 4,8 до 7,5. Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной ѐмкостью, чем гидрокарбонатная, из-за малой концентрации компонентов крови. Однако эта система играет решающую роль не только в моче, но и в других биологических средах – в клетке, в соках пищеварительных желез, в моче.

Белковый буфер Составляет 5 % буферной ѐмкости. 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.

При этом

получается

эквивалентное

 

 

 

 

 

78

количество белок-кислоты: НС1 + Pt-COONa ↔ Pt-COOH + NaCl. По закону разбавления В.Оствальда увеличение концентрации слабого электролита уменьшает его диссоциацию, рН практически не меняется.

2. При увеличении щелочных продуктов они взаимодействуют с

Pt-СООН: NaOH + Pt-COOH Pt-COONa + H2O

Количество кислоты уменьшается. Однако концентрация ионов Н+ увеличивается за счет потенциальной кислотности белок-кислоты. поэтому практически рН не меняется.

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

Рассмотрим взаимодействие буферных систем в организме по стадиям: 1. В процессе газообмена в легких кислород поступает в эритроциты, где

протекает реакция:

ННb + O2 ↔ HHbO2 ↔ Н+ + HbO2-

2. По мере перемещения крови в периферические отделы кровеносной

системы происходит отдача кислорода ионизированной формой HbO2-

HbO2-↔ Нb- + О2

Кровь при этом из артериальной становится венозной. Отдаваемый в тканях кислород расходуется на окисление различных субстратов, в результате чего образуется СО2, большая часть которого поступает в эритроциты.

3. В эритроцитах в присутствии карбоангидразы со значительной

скоростью протекает следующая реакция:

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3- 4. Образующийся избыток протонов связывается с гемоглобинат-

ионами:

Н+ + Нb- → HHb

Связывание протонов смещает равновесие реакции стадии (3) вправо, вследствие чего концентрация гидрокарбонат ионов возрастает и они диффундируют через мембрану в плазму. В результате встречной диффузии ионов, отличающихся кислотно-основными свойствами (хлорид-ион протолитически неактивен; гидрокарбонат ион в условиях организма является основанием), возникает гидрокарбонатно-хлоридный сдвиг. Этим объясняется более кислая реакция среды в эритроцитах (рН = 7,25) по сравнению с плазмой (рН = 7,4).

5. Поступающие в плазму гидрокарбонат-ионы нейтрализуют накапливающийся там избыток протонов, возникающий в результате

метаболических процессов:

НСО3- + Н+ ↔ Н2СО3 ↔ Н2О + СО2 6. Образовавшийся СО2 взаимодействует с компонентами белковой

буферной системы:

СО2 + Рt-NH2 ↔ Pt-NHCOOH ↔ H+ + Pt-NHCOO-

7. Избыток протонов нейтрализуется фосфатным буфером: Н+ + НРО4- ↔ Н2РО4-

79

8. После того как кровь вновь попадает в легкие, в ней увеличивается концентрация оксигемоглобина (стадия 1), который реагирует с

гидрокарбонат-ионами, не диффундировавшими в плазму: НСО3- + ННbО2 ↔ НbО2- + СО2 + Н2О

Образующийся СО2 выводится через легкие. В результате уменьшения концентрации НСО3- ионов в этой части кровеносного русла наблюдаются их диффузия в эритроциты и диффузия хлорид-ионов в обратном направлении.

9. В почках также накапливается избыток протонов в результате

реакции:

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3-, который нейтрализуется гидрофофат-ионами и аммиаком (аммиачный

буфер): H+ + NH3 ↔ NH4+

Таким образом, гемоглобиновая система участвует в двух процессах:

Связывание протонов, накапливающихся в результате метаболических процессов;

Протонирование гидрокарбонат-ионов с последующим выделением

СО2 Гемоглобиновую буферную систему можно рассматривать как одно из

важнейших звеньев в транспорте СО2 из тканей в легкие.

Следует отметить, что на поддержание постоянства рН различных жидких систем организма оказывают влияние не столько буферные системы, сколько функционирование ряда органов и систем: легких, почек, кишечника, кожи и др.

5.4.Кислотно-основное равновесие

Кислотно-основное состояние – неотъемлемая составная часть протолитического гомеостаза внутренней среды организма, который обеспечивает оптимальные условия правильного течения обмена веществ.

Соотношение определѐнной концентрации ионов Н+ и ОН- в органах, тканях, жидкостях организма называется кислотно-основным равновесием (КОР). Кислотно – основное равновесие имеет первостепенное значение, так как:

Ионы Н+ являются катализаторами многих биохимических превращений; Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность при строго

определѐнных значениях рН;

Наибольшие изменения концентрации ионов Н+ крови и межтканевой жидкости влияют на величину их осмотического давления.

Отклонение рН крови (7,4) на 0,3 ед. может привести к коматозному состоянию, отклонение на 0,4 ед. может повлечь смертельный исход. рН слюны равное 5 ед. приводит к развитию кариеса.

Основные показатели КОР.

80