Буферные системы и механизм их действия. Буферная емкость и факторы ее определяющие.

Буферные растворы — это растворы, величина рН которых мало изменяется при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот или щелочей, а также при разбавлении.
C точки зрения протонной теории простейший буферный раствор состоит из слабой кислоты и сопряженного ей основания или слабого основания и его сопряженной кислоты.

Классификация буферных систем
1. Кислотные. Состоят из слабой кислоты и соли этой кислоты. Например, ацетатная буферная система (CH₃COOH+ СН₃СООNa ), гидрокарбонатная буферная система (H₂CO₃ +NaHCO₃ ).
2. Основные. Состоят из слабого основания и его соли. Например, аммиачная буферная система (NH₃H×₂O + NH₄Cl).
3. Солевые. Состоят из кислой и средней соли или двух кислых солей. Например, карбонатная буферная система (NaHCO₃+Na₂CO₃ ), фосфатная буферная система (КН₂PO₄ + К₂НPO₄).
4. Аминокислотные и белковые. Если суммарный заряд молекулы аминокислоты или белка равен нулю (изоэлектрическое состояние), то растворы этих соединений не являются буферными. Их буферное действие начинает проявляться тогда, когда к ним добавляют некоторое количество кислоты или щелочи.

Механизм действия буферных систем:

1. Разбавление. При разбавлении водой происходит уменьшение концентрации обоих компонентов в буферной системе в одинаковой степени, поэтому величина их соотношения не изменится. рК_{(кислоты)} и рК_{(основания)} являются постоянными при данной температуре и не зависят от разбавления. Действительно, одновременное понижение концентраций кислоты и соли в ацетатной буферной системе от 0,1М до 0,001М при разбавлении водой изменяет рН буферного раствора с 4,63 до 4,73 . Следовательно,разбавление в конечном итоге мало изменяет рН буферных систем.

2. Добавление кислот и оснований. При добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований рН буферных систем изменяется незначительно. Например, рассмотрим ацетатный буфер:

СН₃СООН / СН₃СОО^–

При добавлении к ацетатному буферу небольшого количества HCl, происходит взаимодействие ионов Н⁺ с основным компонентом буферного раствора:
Н⁺ + СН₃СОО^– ⇄ СН₃СООН.
Степень диссоциации СН₃СООН мала и концентрация [H⁺] практически не меняется. рН буферного раствора уменьшится, но незначительно.
Таким образом, если к ацетатному буферу добавить Х моль/л HCl, то уравнение для расчета рН буферной системы принимает вид:
рН = рК_{(кислоты)} + lg

При добавлении небольшого количества NaOH, OH^-– ионы нейтрализуются кислотным компонентом буферного раствора:
OH^-+ СН₃СООН ⇄ СН₃СОО ^– + Н₂О.

В результате этого, добавленное сильное основание заменяется эквивалентным количеством слабого сопряженного основания (СН₃СОО^–), которое в меньшей степени влияет на реакцию cреды. рН буферного раствора увеличивается, но незначительно.

Таким образом, если к ацетатному буферу добавить У моль/л NaOH, то уравнение для расчета рН буферной системы принимает вид:
рН = рК_{(кислоты)} + lg

Буферная емкость (В) - это число молей эквивалента сильной кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы сместить его рН на единицу.

Буферная емкость системы определяется по отношению к добавляемым кислоте (В_кисл.) или основанию (щелочи) (В_осн.) и рассчитывается по формулам:
В_кисл.= В_осн.=

 

39. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для расчета pH буферных систем (вывод).

При больших концентрациях H и OH значительно изменяется соотношение компонентов буферной смеси –Cк/Сс увеличивается или уменьшается и pH может измениться. Подтверждением этого является уравнение Гендерсона-Гассельбаха, которое устанавливает зависимость [H], Kи, α и Ск/Сс.

На примере буферной системы кислотного типа – смеси уксусной кислоты и ее соли CH3COONa. Концентрация ионов водорода в буферном растворе определяется константой ионизации уксусной кислоты:

CH3COOH↔CH3COO+H

Kи= =1.75*10^-5

Преобразуем к виду:

=Kи или =Kи Ск/Сс.

 

Буферные системы крови.

Буферные системы крови представлены буферными системами плазмы крови и буферными системами эритроцитов. Буферные системы плазмы – гидрокарбонатная, белковая и фосфатная, роль последней незначительна. На их долю приходится » 44% буферной емкости крови. Буферные системы эритроцитов – гемоглобиновая, гидрокарбонатная, система органических фосфатов (фосфатная). На их долю приходится »56% буферной емкости крови.

Так как в плазме крови основную роль в связывании ионов Н⁺ играет гидрокарбонат – анион, его концентрация в плазме обусловливает резервную щелочность крови.

Гемоглобиновая буферная система находится только в эритроцитах. Механизм ее действия связан с присоединением и отдачей кислорода. В связи с этим гемоглобин (Нв) имеет окисленную ННвО₂ и восстановленную ННв формы.
ННв + О₂ ⇄ ННвО₂⇄ Н⁺ + HвO₂^-

Гемоглобиновая буферная система в организме эффективно функционирует только в сочетании с гидрокарбонатной системой.