Лекция №5. Буферные системы.

План:

1. Классификация и свойства буферных систем.

2. Механизм действия.

3. Буферная ёмкость.

4. Окислительно-восстановительные буферные растворы.

5. Биологическое значение буферных систем.

1.Буферная система (БС) – это равновесная система, поддерживающая постоянство рН при добавлении небольшого количества кислоты или основания, разбавлении водой.

1 тип:это протолитические системы, состоящие из раствора слабой кислоты и избытка сопряженного с ней основания.

СН₃СООН + НОН ↔ СН₃СОО^-+ Н₃О⁺

кислота основание сопряж. основание сопряж. кислота

СН₃СООNa↔ СН₃СОО^-+Na⁺

соль избыток сопряж основания

Примеры буферных систем: СН₃СООNa/ СН₃СООН – ацетатная;

NaHCO₃/H₂CO₃– бикарбонатная;

Na₂CO₃/H₂CO₃– карбонатная;

Na₂HPO₄/NaH₂PO₄– фосфатная;

Белковая НРt/NaPt; гемоглобиновая HHb/NaHb.

2.Механизм действия.

Если в ацетатную буферную систему ввести некоторое количество кислоты, то она сразу же будет взаимодействовать с ацетатом натрия, образуя кислоту буферной системы и соль, которые не изменят рН среды.

СН₃СООNa/ СН₃СООН +HCl→ СН₃СООН +NaCl

При добавлении щелочи гидроксид- ионы будут взаимодействовать с кислотой, образуя соль буферной системы и воду, которые не изменят рН среды.

СН₃СООNa/ СН₃СООН +NaОH→ СН₃СООNa+ Н₂О

Действие буферной системы будет определяться соотношением ее компонентов.

СН₃СООН ↔ СН₃СОО^-+ Н⁺

К_д= [СН₃СОО^-]·[Н⁺] / [СН₃СООН]

[Н⁺] = К_д· [СН₃СООН] / [СН₃СОО^-]

-lg[Н⁺] = -lgК_д· -lg([СН₃СООН]/[СН₃СОО^-])

рН = рК_а-lg([СН₃СООН]/[СН₃СОО^-])

рН = рК_а-lg(С_{кислоты}/С_соли) = рК_а+lg(С_соли/ С_{кислоты}) – уравнение для расчета рН БС.

Буферная система может состоять из двух солей, но одна из них будет выполнять роль кислоты, например фосфатная БС - Na₂HPO₄/NaH₂PO₄ – соль/кислота.

2 тип: это протолитические системы, состоящие из раствора слабого основания и избытка сопряженной с ним кислоты или соли сильной кислоты.

NH₃ + HOH ↔ NH₄⁺ + OH^-

основание кислота сопряж. кислота сопряж. основание

NH₄Cl ↔ NH₄⁺ + Cl^-

соль избыток сопр.кислоты

NH₄ОН /NH₄Cl– аммиачная БС, состоит из слабого основания и соли сильной кислоты.

Механизм действия. Если в аммиачную буферную систему ввести некоторое количество кислоты, то она сразу же будет взаимодействовать с основанием, образуя соль и воду, которые не изменят рН среды.

NH₄ОН /NH₄Cl+HCl→NH₄Cl+ Н₂О

При добавлении щелочи гидроксид- ионы будут взаимодействовать с солью, образуя основание и соль, которые не изменят рН среды.

NH₄ОН /NH₄Cl+NaОH→NH₄ОН +NaCl

Действие буферной системы будет определяться соотношением ее компонентов.

NH₄ОН →NH₄⁺+OH^-

рН = 14 – рК_в+lg(С_{основания}/С_соли)

3.Буферная емкость.

Способность буферной системы сохранять постоянство рН ограниченно, то есть прибавлять кислоты и щелочи не изменяя рН можно лишь в пределах буферной ёмкости. Зона буферного действия – интервал значений рН, где сохраняется действие БС.

рН = рК_а± 1

Количественно буферное действие характеризуется буферной ёмкостью - В, которая равна количеству вещества эквивалента сильной кислоты или сильного основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить значение рН на единицу.

В_а=n(f_э)_{кислоты}/ (V_{буферного раствора}∙∆рН) = (С(f_э)_{кислоты}∙V_{кислоты}) / (V_{буферного раствора}∙(рН₂– рН₁))

В_в=n(f_э)_{основания}/ (V_{буферного раствора}∙∆рН) = (С(f_э)_{основания}∙V_{основания}) / (V_{буферного раствора}∙(рН₂– рН₁))

4.Окислительно-восстановительный буферный раствор

Окислительно-восстановительный буферный раствор содержит смесь соединений элементов переменной валентности в двух степенях окисления (т. е. смесь обеих форм окислительно-восстановительной пары), например Fe(III) и Fe(II). Значение окислительно-восстановительного потенциала такого буферного раствора определяется по формуле:

где Е_р- реальный потенциал пары в данной среде, [Ох] и [Red]-концентрации соотв. ее окисленной и восстановленной форм, n - число электронов, участвующих в окислительно-восстановительной реакции, R - универсальная газовая постоянная, F- число Фарадея, T - абсолютная. температура.

В методах фотометрии пламени (в т.ч. в атомно-абсорбционном анализе) буферными называют растворы, поддерживающие практически постоянное значение характеристики не самого раствора, а пламени, в которое они вдуваются. Например, такие легкоионизирующиеся вещества, как соли К, обеспечивают концентрацию электронов в пламени, необходимую для подавления ионизации определяемых атомов. В электрохимических методах анализа буферным иногда называют раствор, препятствующий смешению растворов вблизи анода и катода.

Многие биологические жидкости (кровь и др.) являются буферными растворами; компоненты таких растворов - карбонаты, фосфаты и белки.

Список литературы:

1. Белик, Валентина Васильевна.   Физическая и коллоидная химия [Текст] : учебник / Белик, Валентина Васильевна, Киенская, Карина Игоревна. - 5-е изд. ; стер. - М. : Академия, 2010. - 288 с.

2. .Кудряшева, Надежда Степановна. Физическая химия [Текст] : учебник для бакалавров / Кудряшева, Надежда Степановна, Бондарева, Лидия Георгиевна. - М.: Юрайт, 2012. - 340 с.

3. Афанасьев, Борис Николаевич. Физическая химия [Текст] : учебное пособие / Афанасьев, Борис Николаевич, Акулова, Юлия Петровна. - СПб. : Лань , 2012. - 464 с. : ил.

4. Физическая и коллоидная химия. Практикум [Текст] : учебное пособие / Кругляков, Петр Максимович [и др.]. - СПб. : Лань , 2013. - 208 с..

5. Полищук, Светлана Дмитриевна. Практикум по физической и коллоидной химии с курсом биохимии [Текст] : Учеб. пособие / Полищук, Светлана Дмитриевна, В. И. Вахания. - Рязань : РГСХА, 2004. - 175 с.