Буферные системы. Кислотно-основное состояние

Буферными называют растворы, способные сохранять значение рН при разбавлении или добавлении небольших количеств кислоты или щелочи.К таким растворам относят:

1) Растворы, содержащие слабую кислоту и соль этой кислоты и сильного основания (СН₃СООН + СН₃СООNa);

2) Растворы, содержащие слабое основание и соль этого основания и сильной кислоты (NH₄OH + NH₄Cl);

3) Растворы, содержащие соли многоосновных кислот (Na₂HPO₄ + NaH₂PO₄).

Расчет рН буферного раствора

Расчета рН буферных растворов осуществляется по уравнению Гендерсона – Гассельбаха:

– для кислотного буфера уравнение имеет вид

.

– для основного буфера

Уравнения показывают, что рН буферного раствора данного состава определяется отношением концентраций кислоты и соли или основания и соли, поэтому не зависит от разбавления. При изменении объема раствора концентрация каждого компонента изменяется в одинаковое число раз.

 

Буферная емкость

Способность буферных растворов сохранять постоянство рН ограничена. Т.е. прибавлять кислоту или щелочь, существенно не меняя рН буферного раствора, можно лишь в ограниченных количествах.

Величину, характеризующую способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении кислот и щелочи, называют буферной ёмкостью раствора (В).

Буферная ёмкость измеряется количеством молей эквивалентов сильной кислоты или щелочи, добавление которой к 1 л буферного раствора изменяет рН на единицу.

Математически буферная ёмкость определяется следующим образом:

В по кислоте (моль/л ил ммоль/л):

,

где n(1/z HA) – количество моль эквивалентов кислоты, рН₀ и рН – рН буферного раствора до и после добавления кислоты, V_Б – объем буферного раствора.

В по щелочи (моль/л или ммоль/л):

,

где n (1/z ВОН) – количество моль эквивалентов щелочи, остальные обозначения те же.

Буферная ёмкость зависит от ряда факторов:

1. От природы добавляемых веществ и компонентов буферного раствора. Т.к. некоторые вещества могут образовывать нерастворимые соединения или комплексы или давать другие нежелательные реакции с компонентами буферной системы, тогда понятие буферной ёмкости теряет смысл.

2. От исходной концентрации компонентов буферной системы.

Чем больше количества компонентов кислотно-основной пары в растворе, тем больше буферная ёмкость этого раствора.

Предел соотношения концентраций компонентов буферного раствора, при котором система все еще сохраняет свои свойства. Интервал рН = рК ± 1, называется зоной буферного действия системы. Это соответствует интервалу соотношения С_соли/С_к-ты от 1/10 до 10/1.

В_к (крови) = 0,05моль/л; В_к (плазмы) = 0,03 моль/л; В_к (сыв.крови) = 0,025 моль/л

Буферные системы крови

Особенно большое значение буферные системы имеют в поддержании кислотно-основного равновесия организмов. Значение рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,8 до 7,8.

Кислотно – основное равновесие в крови человека обеспечивается гидрокарбонатной, фосфатной, белковой и гемоглобиновой буферными системами. Нормальное значение рН плазмы крови 7,40 ± 0,05.

Гемоглобиновая буфернаясистемана 35% обеспечивает буферную емкость крови: . Оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем восстановленный гемоглобин. Оксигемоглобин обычно бывает в виде калиевой соли.

Карбонатная буферная система: по своей мощности занимает первое место. Она представлена угольной кислотой (Н₂СО₃) и бикарбонатом натрия или калия (NaНСО₃, КНСО₃) в пропорции 1/20. Бикарбонатный буфер широко используется для коррекции нарушений кислотно-основного состояния организма.

Фосфатная буферная система . Дигидрофосфатобладает свойствами слабой кислоты и взаимодействует с поступившими в кровь щелочными продуктами. Гидрофосфат имеет свойства слабой щелочи и вступает в реакцию с более сильными кислотами.

Белковая буферная системаосуществляет роль нейтрализации кислот и щелочей благодаря амфотерным свойствам: в кислой среде белки плазмы ведут себя как основания, в основной – как кислоты:

Буферные системы имеются и в тканях, что способствует поддержанию рН тканей на относительно постоянном уровне. Главными буферами тканей являются белки и фосфаты. Поддержание рН осуществляется также с помощью легких и почек. Через легкие удаляется избыток углекислоты. Почки при ацидозе выделяют больше кислого одноосновного фосфата натрия, а при алкалозе – больше щелочных солей: двухосновного фосфата натрия и бикарбоната натрия.

 

Примеры решения задач

Пример 1.

Рассчитать рН буферного раствора, приготовленного смешением 10 мл 0,1М раствора уксусной кислоты и 100 мл 0,1М раствора ацетата натрия (рК(сн₃ соон) =4,76).

Решение:

Рассчитываем рН кислотного буферного раствора по формуле , тогда

Ответ: 5,76

 

Пример 2.

Рассчитать буферную емкость по кислоте, если на титрование 10 мл сыворотки крови пошло 5 мл 0,1 моль/л соляной кислоты, если при титровании рН изменился от 7,36 до 5,0.

Решение:

Рассчитываем буферную емкость по формуле:

Ответ: 0,021 моль/л

 

Пример 3.

Буферный раствор состоит из 100 мл 0,1моль/л уксусной кислоты и 200 мл 0,2моль/л ацетата натрия. Как изменится рН этого раствора, если к ней добавить 30 мл 0,2моль/л раствора гидроксида натрия.

Решение:

Рассчитываем рН буферного раствора по формуле:

 

При добавлении к буферному раствору NaOH увеличивается количество соли и уменьшается количество кислоты в буферном растворе:

0,006 0,006 0,006

СH₃COOH + NaOH = CH₃COONa + H₂O

Рассчитываем n_(NaOH) = 0,03 л · 0,2 моль/л = 0,006 моль, следовательно в буферном растворе количество кислоты уменьшается на 0,006 моль, а количество соли увеличится на 0,006 моль.

Рассчитываем рН раствора по формуле:

 

Отсюда: рН₂ – рН₁ = 5,82 – 5,3 = 0,52

Ответ: изменение рН буферного раствора = 0,52.

 

Задачи для самостоятельного решения

1. Рассчитать рН буферного раствора, приготовленного смешением 100 мл 0,1М раствора дигидрофосфата натрия и 10 мл 0,1М раствора гидрофосфата натрия (рК(Н₂РО₄ ^-) = 7,21).

2. Рассчитать молярную концентрацию уксусной кислоты, если на приготовление ацетатного буфера с рН= 5,76 к 100 мл 0,1М раствора ацетата натрия прилили 10 мл уксусной кислоты (рК(сн₃ соон) =4,76).

3. Рассчитать Рн желудочного сока, если концентрация НС1 0,365%, плотность 1г/мл.

4. На титрование 2 мл крови для изменения рН от начального значения (7,36) до конечного значения (7,0) потребовалось добавить 1,6 мл 0,01 М раствора HCl. Рассчитайте буферную емкость по кислоте.

5. Сколько моль ацетата натрия необходимо добавить к 300 мл уксусной кислоты, чтобы понизить концентрацию ионов водорода в 300 раз (К_дис (сн₃ соон) = 1,85.10 ^-5 ).

6. При биохимических исследованиях используют фосфатный буфер с рН= 7,4. В каком соотношении надо смешать растворы гидрофосфата натрия и дигидрофосфата натрия с концентрацией по 0,1 моль/л каждый, чтобы получить такой буферный раствор (рК(Н₂РО₄ ^-) = 7,4).

7. Какие нарушения КОС наблюдаются при следующих показателях: рН крови = 7,20, Рсо₂ = 38 мм рт. ст., БО = 30 ммоль/л, СБО = -4 ммоль/л. Как устранить данное нарушение КОС?

8. Рассчитать Рн ацетатного буферного раствора, состоящего из 60 мл 0,2М раствора уксусной кислоты и 120 мл 0,01М раствора ацетата натрия при рК(сн₃соон) = 4,76.

9. Рассчитать рН 0,01М раствора уксусной кислоты, если степень диссоциации кислоты равна 0,1.

10. Рассчитать объем 5% раствора гидрокарбоната натрия, необходимого для коррекции метаболического ацидоза, если сдвиг буферных оснований (ВЕ) составляет - 10 ммоль/л при массе больного 68 кг.

Тестовые задания