1.1.3. Буферные растворы

Состав, механизм действия. Постоянство концентрации ионов водорода, являющейся одной из важнейших констант организма, поддерживается так называемыми буферными системами, или ра­створами.

Буферными системами (буферами) называют растворы, обладаю­щие свойством поддерживать (в определенных пределах) постоян­ное значение рН как при добавлении к ним кислот или основа­ний, так и при разбавлении их водой.

По своему составу буферные растворы бывают двух типов: кис­лые (состоят из слабой кислоты и ее соли, полученной при взаи­модействии с сильным основанием) и основные (состоят из слабо­го основания и его соли, образованной с сильной кислотой).

Примером кислой буферной системы служит ацетатный буфер СН₃СООН + CH₃COONa, основного буферного раствора — амми­ачный буфер NH4OH + NH4CI.

Механизм действия буферных растворов можно рассмотреть на примере ацетатного буфера. В этом растворе происходят следую­щие реакции электролитической диссоциации:

Так как степень диссоциации слабой уксусной кислоты очень мала, практически ее можно считать недиссоциированной. Следо­вательно, кислотность буферной смеси мала. Натриевая соль ук­сусной кислоты, являясь сильным электролитом, диссоциирует практически полностью на ионы СН₃СОО~ и Na⁺. Следовательно, концентрация ионов СН₃СОО~ практически равна концентрации раствора соли (CH₃COONa), а концентрация недиссоциирован­ной кислоты (СН₃СООН) равна концентрации всей кислоты в ра­створе.

Каждая из буферных смесей характеризуется определенной концентрацией водородных ионов, которую буферная система стремится сохранить при добавлении к ней кислоты или основа­ния. Рассмотрим это на примере ацетатного буфера.

В соответствии с законом действующих масс константа диссо­циации уксусной кислоты определяется по формуле:

Так как концентрация недиссоциированной кислоты ([СН3СООН]) практически равна концентрации всей кислоты в растворе, а концентрация ионов СН₃СОО~ равна концентрации соли (CH₃COONa ), получим:

Если растворы кислоты и соли приготовлены в равных концен­трациях, то

т. е. концентрация ионов водорода в буфере зависит от соотноше­ния объемов кислоты и соли, взятых для его приготовления.

Из уравнения видно, что при разбавлении буферных растворов водой соотношение концентраций кислоты и соли не изменится, как и значения соответственно [Н⁺] и рН.

При добавлении в буферный раствор сильной кислоты ионы Н⁺, образованные при ее диссоциации, будут нейтрализованы (связаны) ионами СН₃СОО~ с образованием слабодиссоциирую- щей уксусной кислоты (СН₃СООН).

При добавлении в буфер щелочи ее ионы ОН" будут связаны ионами Н⁺ с образованием Н₂0, также слабодиссоциирующих молекул. И хотя ионов Н⁺ образуется при диссоциации кислоты мало, выведение их из реакции смещает равновесие диссоциа­ции кислоты в сторону образования ионов Н⁺ (принцип Ле- Шателье).

Таким образом, добавление кислоты или щелочи незначитель­но изменит концентрацию ионор водорода в буферной системе — в этом и заключается механизм функционирования буферных сис­тем.

Буферная емкость. Предел, в котором проявляется буферное действие, называется буферной емкостью. Ее выражают количе­ством грамм-эквивалентов сильной кислоты или сильного основа­ния, которые следует добавить к 1 л буферного раствора, чтобы сместить его рН на 1 единицу:

где В — буферная емкость; С — количество грамм-эквивалентов сильной кислоты или основания; рН₀ — водородный показатель до добавления сильной кислоты или основания; рН[ — водородный показатель после добавления (рН[ — рН₂ = 1).

Наибольшей буферной емкостью обладают концентрирован­ные буферные растворы. Из буферных растворов с равной кон­центрацией наибольшей емкостью будут обладать те, которые со­ставлены из равного количества компонентов.

Биологическое значение буферных систем. Буферные системы в живых организмах поддерживают постоянство рН в крови и тка­нях. Исследования показали, что в процессе обмена веществ в организме образуется большое количество кислых продуктов. Так, в организме человека за сутки образуется такое количество раз­личных кислот, которое эквивалентно 20...30 л 1 н. сильной кис­лоты. Сохранение постоянства рН среды в организме обеспечива­ется наличием в нем мощных буферных систем.

Большую роль при этом играют белковый, бикарбонатный и фосфатный буферы. Буферной системой крови служат би­карбонатный и фосфатный буферы: Н₂С0₃ + NaHC0₃, NaH₂P0₄ + Na₂HP0₄ соответственно.

Однако наиболее мощная буферная система крови — гемоглобиновый буфер (75 % всей буферной емкости крови), который удаляет из организма большое количество диоксида углерода.

Большое значение в поддержании постоянного рН в клетках тканей имеет белковый буфер. Он состоит из протеина (белка) — Pt и его соли. Компоненты этого буфера можно представить так:

Буферные растворы широко применяют при гистохимических, биохимических исследованиях, а также в бактериологии, вирусо­логии и биотехнологии (для получения белков, аминокислот, ан­тибиотиков, витаминов, ферментов).