Механизмы действия буферных систем

Буферные системы, классификация буферных систем

Содержание

Буферные растворы

3.1. Буферные системы, классификация буферных систем

3.2. Механизмы действия буферных систем

3.3. Буферные системы организма

Необходимым условием функционирования любого организма является поддержание динамического постоянства его внутренних сред, т.е. гомеостаза. В ходе различных био­химических реакций в организме постоянно образуются или расходуются Н⁺ или ОН^-, по­этому значение рН внутренних сред должно непрерывно изменяться, но в результате со­гласованного действия различных систем организма (лёгких, печени, почек, органов пи­щеварения и др.) рН биологических жидкостей сохраняется постоянным.

Биологическая жидкость рН

Кровь 7,4 ± 0,5

Слюна 6,36 - 6,85

Моча 4,8 - 7,5

Желудочный сок 0,9 - 1,1

Слёзы 7,4

Грудное молоко 6,6 - 6,9

Особую роль в поддержании рН играют буферные растворы, которые состоят из одной или нескольких буферных систем.

Буферная система - это система, способная поддерживать постоянное значение рН при разбавлении её водой и при добавлении в неё определённых небольших количеств сильных ки­слот и оснований.

По составу буферные системы делят на 3 типа:

1) кислотные

2) основные

3) амфолитные

Кислотные буферные системы - это системы, состоящие из слабой кислоты и соли этой же кислоты, анион которой выполняет роль сопряжённого с ней основания. Примером может служить ацетатный буфер:

СН₃СООН + CH₃COONa

^{слабая кислота её соль- сильный электролит}

CH₃COONa → СН₃СОО ^- + Na⁺

^анион

СН_ЗСООН

^{кислота} сопряженная кислотно-основная пара

СН₃СОО ^-

^{основание}

Основная буферная система состоит из слабого основания и соли этого основания, ка­тион которого выполняет роль сопряжённой с ним кислоты. Примером является аммиач­ный (аммонийный) буфер:

NH₄OH + NH₄C1

^{слабое основание его соль - сильный электролит}

NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl^-

^катион

NH₄OH

^{основание} сопряженная кислотно-основная пара

NH₄⁺

^{кислота}

Амфолитная буферная система - это система, образованная амфотерным соединением, т.е. соединением, для которого характерны свойства и кислоты и основания одновременно. Примером может служить водный раствор белка, биополимера, мономерами которого яв­ляются аминокислоты.

Белковую структуру можно представить в виде схемы:

(СОО^¯)_n

^{Функция основания}

R

(NH₃⁺)_m

^{Функция к ислоты}

R –углеводородный остаток белковой молекулы.

От чего зависит рН буферной системы, разберём на примере ацетатного буфера.

К _{дисс.кислоты}

СН₃СООН ↔ СН₃СОО¯ + Н⁺ (1)

^{Слабый электролит}

CH₃COONа → СН₃СОО¯ + Na⁺ (2)

^{Сильный электролит}

В присутствии сильного электролита CH₃COONa, диссоциирующего на ионы полно­стью, равновесие диссоциации слабого электролита СН₃СООН подавляется (по правилу Ле-Шателье), поэтому [СНзСОО¯] = С_соли, а [СНзСООН] = С_{кислоты}.

[ СН₃СОО¯]_*[Н⁺]

К_дисс= ---------------------- => [Н⁺]

[СН₃СООН]

К_{дисс кисл*} [СН₃СООН] К_{дисс.кисл *} С _кисл

[Н⁺] = ------------------------------- = ----------------------

[ СН₃СОО¯] С _соли

Прологарифмируем с отрицательным знаком:

С _кисл

- lg [Н⁺] = - lg К_{дисс кисл} – lg ------------

С _соли

С _соли

рH = рК_{кислоты} + lg -----------

С _кисл

Полученное уравнение носит название уравнения Гендерсона -Хассельбаха для расчета рН кислотных буферных систем.

Для основных буферных систем:

С _соли

рH = 14 – (рК_{основания} +lg --------)

С _осн

Факторы, определяющие рН буферных систем, следуют из анализа уравнения Гендер­сона-Хассельбаха:

1) природа слабой кислоты или слабого основания, которые определяют рК кислоты или рК основания;

2) соотношение концентраций компонентов буферной системы.

На практике вместо молярных концентраций компонентов часто используют число их экви­валентов:

V_{соли *} N_cоли

рН = рК_кисл + lg -----------------

V_{кисл *} N_кисл

V - объём компонента буфера; N – его нормальная концентрация

V_{соли *} N_cоли

рОН = рК_осн + lg -----------------; рН= 14 - рОН

V_{осн *} N_осн

1) Из анализа уравнения Гендерсона-Хассельбаха ясно, что рН буферной системы не зависит от разбавления ее водой, т.к. 1-е слагаемое в уравнении (рК_кис или рК_осн ) - это величина постоянная. 2-е слагаемое - отношение концентраций компонен­тов буфера - также постоянно, т.к. при разбавлении раствора, концентрации компонентов из­меняются одинаково.

2) Почему рН буферной системы не изменяется при добавлении определённых коли­честв сильных кислот и оснований? Ответ на этот вопрос будет найден, если понять как работает буферная система.

Раз­берём на примере ацетатного буфера. Если в буферную систему добавляется силь­ная кислота:

I DDzDM7C5CjN6r1gAqzlh68F2RMjehuRSeTzo0cDPdyvo6sc8nq9n61k6SsfZepTGZTm636zSUbZJ ppPytlytyuSnLy1J81owxpWv7qTxJP07DQ3T1qvzrPIrFldkN+F5STa6LiOcLHA5vQO7oCYvoF5x W82eQUxG90MLlwwYtTbfMepgYAtsv+2J4RjJdwomYp6kqZ/wsEkn0zFszKVne+khigJUgR1Gvbly /a2wb43Y1ZApCceqtB+GSriT2vuqBunDUAYGwwXip/5yH6J+X3PLXwAAAP//AwBQSwMEFAAGAAgA AAAhAAVlHMzfAAAACQEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj01Lw0AQhu+C/2EZwYvY3Whpbcym iFDQHpR+6HmajElodjZmt2301zue9PjyDO/7TDYfXKuO1IfGs4VkZEARF75suLKw3Syu70CFiFxi 65ksfFGAeX5+lmFa+hOv6LiOlZISDilaqGPsUq1DUZPDMPIdsbAP3zuMEvtKlz2epNy1+saYiXbY sCzU2NFjTcV+fXAW4lvyUgzf/hMXz+/mKblarl73S2svL4aHe1CRhvh3DL/6og65OO38gcugWgu3 s7GoRwFTUMLHZiJ5J9nMpqDzTP//IP8BAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhALaDOJL+AAAA4QEA ABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAOP0h /9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAkemq zoICAAAuBQAADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEA BWUczN8AAAAJAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAADcBAAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA 8wAAAOgFAAAAAA== "/>СН₃СООН СН₃СООН

^{Слабая кислота} => ^слабая

СН₃СОО‾ + Н⁺ СН₃СООН

^{основание сильная кислота слабая}

CH₃COONa + НС1 => СН₃СООН + NaCl

Сильная кислота реагирует с основанием, при этом образуется слабая кислота - идёт реакция нейтрализации, при этом рН не изменяется.

При введении щёлочи:

>СН₃СООН + ОН ^- => СН₃СОО ^- + Н₂О

СН₃СОО ^- СН₃СОО ^-

И опять рН не изменяется, т.к. сильное основание израсходовалось на реакцию нейтра­лизации, а получилось столько же эквивалентов слабого основания.

СН₃СООН + NaOH => CH₃COONa + H₂О

Основная буферная система:

NH₄OH + H⁺ NH₄⁺ + H₂O

^{Слабое основание сильная кислота} => ^слабая

NH₄⁺ NH₄⁺

^{слабая кислота слабая}

NH₄OH NH₄ OH

^{Слабое основание} => ^слабое

NH₄⁺ + ОН^- NH₄ОН

^{слабая кислота щелочь слабое}

В обоих случаях рН не изменилось, т.к. сильный электролит израсходовался на реак­цию нейтрализации.

Амфолитные (белковые) буферные системы:

(СОО^-)_n + _nН⁺ (СООН)_n

^{Функция основания сильная кислота}

R => R

(NH₃⁺)_m (NH₃⁺)_m

^{Функция к ислоты}

(СОО^-)_n (СОО^-)_n

^{Функция основания}

R => R

(NH₃⁺)_m + _mОН^- (NH₂)_m + _mН₂О

^{Функция к ислоты щелочь Функция слабого основания}

Вводимое сильное основание (щелочь) заменилось эквивалентным количеством слабого основания, поэто­му рН не изменилось.

Любая буферная система может поддерживать рН только в строго определённых пределах. Эта спо­собность называется буферной ёмкостью.

Буферная ёмкость - В - измеряется числом эк­вивалентов сильной кислоты или сильного основания, которое необходимо добавить к 1л буферного раствора, чтобы изменить его рН на 1.

Различают буферную ёмкость по кислоте и по щёлочи.

N_{кисл *} V_кисл / V_{буф. р-ра} N_{щел *} V_щел / V_{буф. р-ра}

В _кисл= -------------------------- В _щел = -----------------------

ΔpH ΔpH

Буферная ёмкость определяется опытным путём - путём титрования определённого объёма буферного раствора кислотой или щёлочью в присутствии какого-либо индикатора.

ΔрН = рН _нач – рН _кон

рН _{нач =} рН буферной системы, определенная по уравнению Гендерсона-Хассельбаха

рН _{кон =} рК _{индикатора} (см. таблицу «Свойства индикаторов»)

Буферная ёмкость зависит:

1) от концентраций компонентов прямо пропорционально: чем выше концентрации компонентов, тем выше буферная емкость раствора.

2) от соотношений концентраций компонентов; буферная ёмкость максимальна при их равных концентрациях.

Дата добавления: 2013-12-12