Занятие № 4 Методические указания для студентов

ТЕМА: Протолитические реакции. Буферные растворы.

ЦЕЛЬ: Познакомиться с основами протолитических процессов, протекающих в организме человека, усвоить природу протолитического гомеостаза и возможные причины его нарушения.

Теоретические вопросы:

1. Основные положения протолитической теории кислот и оснований. Кислоты и основания по Бренстеду-Лоури, сопряженные кислоты и основания. Константы кислотности и основности. Показатели кислотности (рК_а) и основности (рК_b). Связь между константой кислотности и константой основности в сопряжённой протолитической паре.

2. Диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный и гидроксильный показатели, рН биологических жидкостей.

3. Изменение рН органов и тканей при различных заболеваниях. Ацидоз. Алкалоз. Способы их устранения.

4. Гидролиз солей. Степень и константа гидролиза. Амфолиты. Изоэлектрическая точка.

5. Буферные системы. Механизм буферного действия систем I и II типа. Расчет рН буферных систем при добавлении сильной кислоты или сильного основания.

6. Буферное действие. Буферная ёмкость. Расчет буферной ёмкости по кислоте и по основанию. Факторы влияющие на буферную ёмкость.

7. Буферные системы крови. Сравнительная буферная емкость буферных систем крови. Бикарбонатная, фосфатная, белковая, гемоглобиновая буферные системы. Механизм действия. Формулы для расчета.

8. Применение реакции нейтрализации в фармакотерапии.

Обучающие задачи

Задача 1. Биологические жидкости имеют следующие значения рН: слюна 6,8; желудочный сок 1,5; кровь 7,4. Рассчитайте концентрацию ионов водорода в каждой из указанных жидкостей.

Решение: рН= - lg [H⁺] , lg [H⁺] = - pH

а) слюна рН = 6,8 , отсюда lg [H⁺] = -6,8

[H⁺]=10^-6,8=1,59∙´10 ^-7 моль/л

б) желудочный сок рН = 1,5

рН= - lg [H⁺] , lg [H⁺] = - pH, отсюда lg [H⁺] = - 1,5

[H⁺]=10^-1,5=3,16∙´10 ^-2 моль/л

в) кровь рН = 7,4

рН= - lg [H⁺] , lg [H⁺] = - pH

отсюда lg [H⁺] = -7,4

[H⁺]=10^-7,4 = 4,0´10 ^-8 моль/л

Ответ: слюна [H⁺] = 1,59∙´10^-7моль/л, желудочный сок [H⁺] = 3,16´10^-2 моль/л, кровь [H⁺] = 4´10 ^-8 моль/л.

Задача 2. Вычислите степень диссоциации уксусной кислоты в растворе с молярной концентрацией эквивалента 0,001 моль/л. Ка (СН₃СООН) = 1,8´10^-5. Найти концентрацию ионов водорода и рН данного раствора.

Решение:

рН = 1/2 [pKa - lgC(CH₃COOH)]; pH = 1/2 [4,75 - lg 0,001] = 1/2∙´ 7,75 = 3,875

[H⁺] = 10^-pH = 10^-3,875 = 1,35 ×10 ^-4;

[H⁺] = 1,35´10^-4 моль/л.

или

или 13,5%

Ответ: [H⁺] = 1,35 ´10^-4 моль/л, рН = 3,875, α = 13,5%.

Задача 3 В клинических и биохимических лабораториях применяется ацетатный буфер, который содержит уксусную кислоту 12 г/л и ацетат натрия 16,4 г/л. Определите концентрацию в моль/л уксусной кислоты и ацетата натрия, рН буферного раствора, зону буферного действия. (Ка (СН₃СООН) = 1,8 ´10^-5).

Решение:

M (CH₃COOH) = 12+3+12+32+1 = 60 г/моль

M (CH₃COONa) = 12+3+12+32+23 = 82 г/моль.

Ответ: С(CH₃COOH)=0,2 моль/л, С(CH₃COONa) =0,2 моль/л, pH = 4,75, зона буферного действия 4,75 ±1

Задача 4. Для гидролизующихся веществ напишите уравнения гидролиза: CuCl₂, Na₂SO₃, Cr₂S₃, NaCl, тристеарид, глицил-глицин, этилэтаноат, АТФ.

Решение:

CuCl₂ – растворимая в воде соль, образована катионом слабого основания и анионом сильной кислоты, подвергается гидролизу. Гидролиз протекает по катиону слабого основания, рН<7.

При обычных условиях гидролиз протекает преимущественно по I ступени.

CuCl₂ = Cu²⁺ + 2Cl^-

Cu²⁺ +HOH ↔ CuOH⁺ + H⁺

CuCl₂ + HOH ↔ CuOHCl + HCl

Na₂SO₃ – растворимая в воде соль, образована катионом сильного основания и анионом слабой кислоты, подвергается гидролизу. Гидролиз протекает по аниону слабой кислоты, рН>7.

Na₂SO₃ = 2Na⁺ + SO₃^2-

SO₃^2- + HOH ↔ HSO₃^- + OH^-

Na₂SO₃ + HOH ↔ NaHSO₃ + NaOH

Cr₂S₃ – соль, образованная слабым нерастворимым в воде основанием и слабой летучей кислотой. В водном растворе соль не существует, так как подвергается полному гидролизу:

Cr₂S₃ + 6HOH = 2Cr(OH)₃↓ + 3H₂S↑

NaCl – растворимая в воде соль, образована катионом сильного основания и анионом сильной кислоты. Гидролизу не подвергается.

Тристеарид – это жир, образованный многоатомным спиртом глицерином и стеариновой кислотой, эти вещества и получаются при гидролизе:

CH₂-O-CO-C₁₇H₃₅ CH₂-OH

| |

CH-O-CO-C₁₇H₃₅ + 3H₂O ↔ CH-OH + 3C₁₇H₃₅COOH

| |

CH₂-O-CO-C₁₇H₃₅ CH₂-OH

Глицилглицин – дипептид, при его гидролизе происходит разрыв пептидной связи

NH₂-CH₂-CO-NH-CH₂-COOH +H₂O ↔ NH₂-CH₂-COOH + NH₂-CH₂-COOH

Этилэтаноат – сложный эфир, при гидролизе которого образуются спирт и карбоновая кислота.

СH₃COOC₂H₅ + HOH ↔ CH₃COOH + C₂H₅OH

Аденозинтрифосфат (АТФ) – главный источник энергии для многих биологических процессов – биосинтеза белка, ионного транспорта, сокращения мышц, электрической активности нервных клеток. Гидролиз АТФ записывают в виде кислотно-основного равновесия:

АТФ^4- + HOH ↔ АДФ^3- + HPO₄^2- + H⁺, ∆G⁰=-30,5кДж/моль

Задача 5. Определить рН раствора, константу и степень гидролиза ацетата калия, если молярная концентрация соли равна 0,1 моль/л, а K_а(СН₃СООН)=1,8×10^-5.

Решение: Уравнение гидролиза

СН₃СООК + НОН ↔ СН₃СООН + КОН

СН₃СОО^- + НОН ↔ СН₃СООН + ОН^-

Вычислим константу гидролиза

Рассчитаем степень гидролиза

Определяем концентрацию гидроксид-ионов в растворе и рОН

С(ОН^-)= h×C_соли = 7,5×10^-5×0,1 = 7,5×10^-6 (моль/л)

рOН = -lg[OH^-] = -lg7,5×10^-6 = 5,12

pH = 14 – pOH = 14 – 5,12 = 8,88

Ответ: рН = 8,88, К_г = 5,6×10^-10, h = 7,5×10^-5

Задачи для самостоятельного решения:

Задача 1. Вычислите степень диссоциации и рН уксусной кислоты, если Ка (СН₃СООН) = 1,8´10 ^-5, а концентрация 0,18 моль/л.

Ответ: рН = 2,74; α= 1 %.

Задача 2. Концентрация ионов [OH^-] в растворе равна 6,5×10^-8 моль/л. Вычислите рН этого раствора.

Ответ: рН=6,81

Задача 3. Во сколько раз концентрация ионов водорода в крови (рН=7,36) больше, чем в спинномозговой жидкости (рН=7,53)?

Ответ: в 1,5 раза

Задача 4. Определите концентрацию ионов водорода желчи в протоках, если её рН= 7,8 - 8,5.

Ответ: 1,58´10^-8 - 3,16´10^-9

Задача 5. Вычислите соотношение с (соли) /с (кислоты) для буферной системы муравьиная кислота - формиат натрия, если рН = 4,0, Ка (НСООН) = 1,76´10 ^-4.

Ответ: 1,76

Задача 6. Определите рН буферного раствора, который получен смешиванием 0,1 моль/л раствора NH₄Cl и 0,1 моль/л раствора NH₄OH в соотношении: а) = 1:1, б) 1:4, в) 4:1. К (NH₄OH) = 1,79´10 ^{- 5}

Ответ: а) рН = 9,26 , б) рН = 9,86, в) рН= 8,66.

Задача 7. Вычислите массу ацетата натрия, которою следует добавить к раствору уксусной кислоты С(СН₃СООН) = 0,316 моль/л и объемом 2 л, чтобы получить буферный раствор с рН = 4,87.

Ответ: 68,4 г

Задача 8. Сколько молей эквивалента аскорбиновой кислоты необходимо ввести больному для нормализации крови при алкалозе, если рН его крови 7,65 (норма 7,45) общее количество крови 5л, буферная емкость по кислоте 0,05 моль/л.

Ответ: 0,05 моль - эквивалента.

Задача 9.? Буферная емкость по кислоте 0,05 моль/л, рассчитайте, какой объем хлороводородной кислоты концентрацией 0,1 моль/л необходимо добавить к 1л крови, чтобы уменьшить её рН с 7,35 до 7,1?

Ответ: 0,125 литра

Задача 10. Напишите по стадиям уравнения реакций гидролиза следующих солей: FeCl₃, CuSO₄. На основании чего можно утверждать, что последняя стадия реакции гидролиза этих солей не происходит.