Механизм действия буферных систем

Цель занятия:

Изучить свойства и механизм действия буферных систем.

План занятия:

1. Разбор теоретического материала.

2. Решение задач по теме занятия.

3. Выполнение лабораторных работ:

а) приготовление ацетатных буферных растворов и расчет их рН;

б) влияние разбавления на рН буферного раствора;

в) определение буферной емкости.

Основные вопросы, разбираемые на занятии:

1. Определение буферных систем.

2. Классификация буферных систем.

3. Расчет рН буферных систем. Уравнение Гендерсона-Хассельбаха.

4. Механизм действия буферных систем.

5. Буферная емкость.

6. Буферные системы организма.

7. Значение поддержания кислотно-основного равновесия в процессах жиз­недеятельности.

Ключевые вопросы темы

Одним из свойств внутренней среды организма является постоянство концентрации ионов водорода (рН). Сохранение этого показателя обеспечивает­ся согласованным действием различных систем организма, из которых важная роль принадлежит буферным системам.

Буферная система - это система, способная поддерживать постоянное значение рН при разбавлении её водой и при добавлении в неё определённых 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:

 

СНзСООН + CH₃COONa

слабая кислота и её соль- сильный электролит

CH₃COONa → СН₃СОО ^- + Na⁺

G QWBgGp6RzoWb0TvFAljDCVuNe0eEHPYQXCqPB1Ua+fl6BWX9mMfz1c3qJp2k03w1SeOqmtyvl+kk XyezrLqulssq+elTS9KiEYxx5bM7qjxJ/05F47wN+jzp/ILFBdl1eF6SjS7TCK0FLsd3YBf05CU0 aG6j2TPIyehhbOGagU2jzXeMehjZEttvO2I4RvKdgpmYJ2nqZzwc0mw2hYM5t2zOLURRgCqxw2jY Lt1wL+y6IC1QZGir0n4cauGOeh+yGsUPYxkYjFeIn/vzc/D6fdEtfgEAAP//AwBQSwMEFAAGAAgA AAAhANFHd0DeAAAACgEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj8tOwzAQRfdI/IM1ldhRp66oqhCn KiA2PIQolVB3TjyNI/yIbLcJf8+wguXcObqPajM5y84YUx+8hMW8AIa+Dbr3nYT9x+P1GljKymtl g0cJ35hgU19eVKrUYfTveN7ljpGJT6WSYHIeSs5Ta9CpNA8DevodQ3Qq0xk7rqMaydxZLopixZ3q PSUYNeC9wfZrd3ISjgezDE8vD8+Ni5+ve3u3fWvGTsqr2bS9BZZxyn8w/Nan6lBTpyacvE7MShDF +oZQCcsFbSJAiBUJDZGCFF5X/P+E+gcAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAA EwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/ 1gAAAJQBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQCspWs9 ggIAADAFAAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQDR R3dA3gAAAAoBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAANwEAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADz AAAA5wUAAAAA "/>

СН_ЗСООН

кислота сопряженная кислотно-основная пара

СН₃СОО ^-

Основание

 

С_{М соли}

рH = рК_{кислоты} + lg -----------

С_{М кисл}

V_{соли *} N_cоли

рН = рК_кисл + lg -----------------

V_{кисл *} N_кисл

 

рК_кисл = - lg К_{дисс кисл}

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 основани и его соль - сильный электролит

 

NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl^-

катион

NH₄OH

основание сопряженная кислотно-основная пара

NH₄⁺

кислота

С_{М соли}

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

С_{М осн}

V_{соли *} N_cоли

рН =14 - (рК_осн + lg -----------------)

V_{осн *} N_осн

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.

 

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.

Способность буферной системы противостоять изменению рН при до­бавлении сильных кислот или щелочей определяется ее емкостью.

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.

Буферные системы организма

Выделяют 2 вида:

1) минеральные;

2) белковые.

 

К минеральным относят гидрокарбонатную и фосфатную буферные системы. К белко­вым - собственно белковую и гемоглобиновую.

Гидрокарбонатный буфер - это важнейший буфер плазмы крови (на его долю прихо­дится до 50% буферной ёмкости внеклеточной жидкости). Он состоит из слабой угольной кислоты, образующейся при растворении СО₂ в H₂O, и гидрокарбонат-иона НСО₃^-, выполняюще­го роль сопряжённого основания.

 

В условиях организма концентрация гидрокарбонат-ионов в 20 раз выше концентрации кислоты, и эта величина постоянна.

Н₂СО₃ [НСО₃^-] 20

^{кислота} ----------------------- = ------------------- = const

НСО₃^- [Н₂СО₃] 1

^{основание}

Таким образом, в условиях организма для этого буфера ёмкость по кислоте в 20 раз выше, чем ёмкость по щёлочи, поэтому основная роль гидрокарбонатного буфера состоит в нейтра­лизации кислых продуктов обмена в организме:

Н₂СО₃ Н₂СО₃

НСО₃^- + Н⁺ => Н₂СО₃ (СО₂↑ + Н₂О)

 

Фосфатная буферная система - внутриклеточный и тканевой буфер. Особенно боль­шую роль буфер играет в физиологических процессах почек.

 

Лабораторные работы, выполняемые на занятии

ПРИГОТОВЛЕНИЕ АЦЕТАТНЫХ БУФЕРНЫХ СМЕСЕЙ

И РАСЧЕТ ИХ рН

 

Ацетатный буфер содержит слабую уксусную кислоту СН₃СООН и ее натриевую соль CH₃COONa.

Приготовить три буферных раствора, как указанно в таблице 1. Внести в каждую пробирку каплю индикатора. Полученную окраску отметить в таблице. Соответствует ли окраска каждого раствора рас­считанному значению рН? (таблица 2). Пользуясь данными таблицы 2, в таблице 1 отметить, как окрасится метилоранж, фенолфталеин и метиловый красный в этих растворах.

 

Таблица 1 Приготовление ацетатных буферных смесей и расчет их рН.

 

№ пробирки
Объем (мл) 0,1 N СН3СООН
Объем (мл) 0,1 N СН3СООNa
Вычисленный рН
Окраска индикатора	Метиловый красный
Фенолфталеин
метилоранжевый

 

 

Таблица 2. Свойства индикаторов.

 

индикатор	рК	рН зоны изменения окраски	Цвет
В кислоте	В щелочи
Метиловый красный	5,3	4,4 – 6,2	Красный	Желтый
Фенолфталеин	9,0	8,0 – 9,8	Бесцветный	фиолетовый
метилоранжевый	3,7	3,1 – 4,4	Красный	Желтый

ВЛИЯНИЕ РАЗБАВЛЕНИЯ НА рН БУФЕРНОГО РАСТВОРА.

 

В трех колбах приготовить по 10 мл ацетатного буферного раствора (по 5 мл 0,1N кислоты и ее соли). Раствор в первой колбе разбавить дистиллированной водой в 2 раза (прибавить 10 мл воды) и перемешать, во второй разбавить в 3 раза (прибавить 20 мл воды) и перемешать. Раствор в третьей - не разбавлять.

Влияние разведения на рН буферных смесей можно проверить при помощи индикаторов. Для этого следует налить в пробирки по 2 мл исходного и разведенных буферных растворов и добавить по две капли метилового крас­ного.

Сравнить цвет индикатора в исходном буферном растворе и в разведенных растворах.

Дать объяснение полученным результатам, записав выводы по работе.