Буферные смеси

Растворы, которые обладают свойством поддерживать в определенных границах постоянной величину рН при добавлении к ним сильных кислот, щелочей, а также при разбавлении, называются буферными. Буферные растворы представляют собой чаще всего растворы слабой кислоты и хорошо диссоциированной соли этой кислоты (сильного электролита) или раствора слабого основания и его хорошо диссоциированной соли. Для выяснения механизма буферного действия рассмотрим в качестве примера буферную смесь, состоящую из слабой уксусной кислоты и ацетата натрия — сильного, практически полностью диссоциированного электролита:

Уксусная кислота малодиссоциирована (константа диссоциации ее равна 1,75•10^-5 ):

Практически вся кислота в таком растворе будет находиться в молекулярной форме, а все ионы СН₃СОО^- образуются в растворе благодаря диссоциации СН₃СООNа.

Если к такому раствору добавлять соляную кислоту, то ионы водорода свяжутся с анионами СН₃СОО^- в молекулу СН₃СООН и концентрация Н⁺ практически не изменится. Если к этому раствору добавлять гидроксид натрия, ионы ОН^- будут связываться с ионами Н⁺, образуя молекулу воды. Это вызовет сдвиг равновесия диссоциации уксусной кислоты вправо, в результате чего полностью восстановится исходная концентрация ионов Н⁺. Это и будет проявлением буферного действия.

Буферными свойствами обладают также и растворы многих органических веществ, в частности аминокислоты, несущие как кислотную функцию (карбоксигруппы), так и основную функцию (аминогруппы). В связи с большой основностью аминогруппы и высокой кислотностью карбоксигруппы оказывается возможным внутримолекулярный перенос протона по реакции:

с образованием биполярных или так называемых цвиттер-ионов. Полное равновесие диссоциации аминокислот может быть представлено схемой:

В кислой области при рН < 6,1 доминирует равновесие I с кислотой ⁺Н₃N — R — СООН и сопряженным основанием ⁺Н₃N — — R — СОО^-, а в основной при рН > 6,1 — равновесие II с кислотой ⁺Н₃N — R — СОО^- и сопряженным основанием Н₂N — R — СОО^-. Каждая из этих кислотно-основных пар обладает высокими буферными свойствами в области рН = 2,4 (I) и рН = 9,7 (II).

Буферные смеси играют большую роль в физиологических процессах. Так, во время работы мышц образуется молочная, масляная и ацетоуксусная кислоты, которые частично попадают в ткани и кровь и могли бы изменить величину рН крови и тканей, вызывая нарушение физиологических процессов. Наличие буферных смесей в живом организме (Nа₂НРО₄/NаН₂РО₄; NаНСО₃/Н₂СО₃) препятствует изменению в нем рН. Буферные смеси широко используют в химической технологии.

Для количественной характеристики буферных, свойств введена величина, которая названа буферной емкостью (β). Она равна количеству эквивалентов кислоты (а) или щелочи (b), которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить рН раствора на единицу

Уравнение гендерсона-гассельбаха

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха (1908) - математическое (аналитическое) выражение, характеризующее возможности буферной системы.

Уравнение показывает как зависит кислотно-основное равновесие буферного раствора от свойств компонентов кислотно-основной буферной системы и от количественного соотношения этих компонентов в растворе

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха выглядит следующим образом:

рН = рКа + lg (соль/кислота)

Особенно большое значение буферных систем имеют в поддержании кислотно-основного равновесия организма. Внутриклеточные и внеклеточные жидкости всех живых организмов, как правило, характеризуются постоянным значением рН, которое поддерживается с помощью различных буферных систем. Значение рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,8 до 7,8.

Кислотно-основное равновесие в крови человека обеспечивается водородкарбонатной, фосфатной, гемоглобиновой и белковой буферными системами.

Нормальное значение рН плазмы крови составляет 7,40 ± 0,05. Этому соответствует интервал значений активной кислотности α(Н⁺) от 3,7 до 4,0 10^-8моль/л. Так как в крови присутствуют различные электролиты – НСО₃^-, Н₂СО₃, НРО₄^2-, Н₂РО₄^-, белки, аминокислоты, это означает, что они диссоциируют в такой степени, чтобы активность α (Н⁺) находилась в указанном интервале.