Механизм действия отдельных буферных систем

Влияние разбавления на рН буферных систем

Буферные растворы часто приходится разбавлять водой, особенно в биохимических исследованиях при измерении рН небольших объемов биожидкостей, в частности крови. Из уравнения [H⁺] =Ka ·Скислоты/Ссоли =Ка·0,1/0,1 =Ка·0,01/0,01 видно, что при разбавлении раствора концентрации обеих компонентов уменьшаются в одинаковой степени, поэтому их соотношения остается постоянным. Тем не менее незначительные изменения рН среды все-таки происходят, что объясняют влиянием разбавления на степень диссоциации слабой кислоты и на степень гидролиза. Способность буферных растворов сохранять постоянным значение рН при разбавлении или при добавлении кислот ограничена.

Механизм действия буферных систем по поддержанию постоянства рН среды сводится к связыванию добавляемых в раствор ионов компонентами буферной системы в малодиссоциирующие соединения.

1. Механизм буферного действия кислотных буферных систем на примере ацетатного буфера (Ацетатная буферная система состоит из слабой кислоты (донор) и сопряженного основания (акцептор), в растворе

При добавлении к буферному раствору сильной кислоты ионы связываются ацетат-ионами в слабую уксусную кислоту:

,

а при добавлении щелочей ионы нейтрализует уксусная кислота, связывая их в молекулы воды:

Концентрации компонентов буферной системы и их отношение меняются незначительно, поэтому рН раствора остается практически постоянным.

2. Механизм буферного действия основных буферных систем на примере аммиачного буфера. - слабое основание (акцептор), - сопряженная кислота (донор), в растворе.

Нейтрализация кислот:

Нейтрализация щелочей:

Каждая буферная система характеризуется определенной концентрацией ионов водорода (рН), которую стремится сохранить при добавлении кислоты, основания или при разбавлении. Определяется рН буферных растворов по уравнению Гендерсона-Гассельбаха.

В основе расчета рН буферных систем лежит закон действующих масс для кислотно-основного равновесия.

1. Вывод уравнения Гендерсона-Гассельбаха для кислотных буферных систем на примере ацетатного буферного раствора.

В кислотных буферных системах всегда наблюдаются два процесса:

обратимый – диссоциация слабой кислоты:

необратимый – диссоциация соли:

Концентрация ионов легко вычислить из константы кислотно-основного равновесия уксусной кислоты (константы диссоциации):

Откуда:

Присутствие в буферном растворе сильного электролита с одноименным анионом подавляет и без того слабую диссоциацию уксусной кислоты (принцип Ле Шателье). Поэтому концентрация недиссоциированных молекул практически равна равновесной концентрации кислоты, а концентрация ионов - концентрации соли.

В данном случае:

Прологарифмировав выражение, получаем уравнение Гендерсона-Гассельбаха для кислотных буферных систем:

2. Вывод уравнения Гендерсона-Гассельбаха для основных буферных систем на примере аммиачного буферного раствора NH₃^.H₂O/NH₄Cl

При взаимодействии слабого основания с водой последняя, выступая донором H⁺, способствует ионизации этого основания:

Отсюда: [OH⁻]=

Или [OH⁻]=

Прологарифмировав, получаем:

рОН=

рН=

Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха следует ряд важных выводов:

1) рН буферных растворов зависит от отрицательного десятичного логарифма константы диссоциации слабой кислоты рКа или основания рКв и от отношения концентраций кислотно-основной пары, но практически не зависит от разбавления раствора.

2) Значения рКа любой кислоты и рКв любого основания можно вычислить по измеренному рН раствора, если известны молярные концентрации компонентов.

3) Уравнение Гендерсона-Гассельбаха позволяет рассчитать рН буферного раствора, если известны значения рКа (рКв) и молярные концентрации компонентов.

4) Уравнение Гендерсона-Гассельбаха можно использовать для определения отношения компонентов буфера, чтобы приготовить раствор с заданным значением рН.

Способность буферных растворов сохранять рН ограничена. Прибавлять кислоту и щелочь, существенно не меняя рН буферного раствора, можно лишь в небольших количествах.

Примеры:

1. Вычислить концентрацию ионов Гидрогена и рН буферного раствора, учитывая, что в нем С кислоти = Ссоли = 0,1 моль/л, а Ка(СН₃СООН)= 1,75·10^-5

Образец решения:

[H+] = 1,75·10^-5 - 0,1/0,1= 1,75·10^-5 моль/л

рН = -lg[H⁺] = -lg1.75·10^-5 = 4.75

2. Определить рН буферного раствора, состоящего из 20мл уксусной кислоты СН₃СООН (С=0,03 моль/л) и 15 мл ацетата натрия СН₃СООNa (С=0,06 моль/л).

рК_а (СН₃СООН)=4,74.

Образец решения: Для практических расчетов рН уравнение Гендерсона-Гассельбаха удобно записать в следующей форме:

Подставив в уравнение исходные данные, получим рН буферной системы.

.

Дата добавления: 2014-01-04