Буферное действие уравнение гендерсона гассельбаха

Буферные системы, их классификация и механизм действия. Буферные растворы. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха.

Буферными системами (буферами) называют растворы, обла­дающие свойством достаточно, стойко, сохранять постоянство — кон­центрации водородных ионов как при добавлении кислот или щелочей, так и при разведении.

Буферные системы (смеси или растворы) по составу бывают двух основных типов:

а) из слабой кислоты и ее соли, образован­ной сильным основанием;

б) из слабого основания и его соли, образованной сильной кислотой.

На практике часто применяют следующие буферные смеси: ацетатный буфер CH₃COOH + CH₃COONa, бикарбонатный буфер H₂CO₃+NaHCO₃, аммиачный буфер NH₄OH +NH₄Cl, белковый буфер белок кислота + белок соль, фосфатный буфер NaH₂PO₄ + Na₂ HPO₄

Фосфатная буферная смесь состоит из двух солей, одна из ко­торых является однометаллической, а вторая — двухметаллической солью фосфорной кислоты.

Рассмотрим механизм буферного действия. При добавлении соляной кислоты к ацетатному буферу проис­ходит взаимодействие с одним из компонентов смеси (СНзСООН); Из уравнения (а), сильная кислота заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты (в данном случае НСl заменяется СН₃СООН). В соответствии с законом разведения Оствальда повышение концентрации уксусной кислоты понижает степень ее диссоциации, а в результате этого концентрация ионов Н + в буфере увеличивается незначительно. При добавлении к буферному раствору щелочи концентрация водородных ионов и рН изменяется также незначительно. Щелочь при этом будет реагировать с другим компонентом буфера, (СН₃СООН) по реакции нейтрализации. В результате этого добавленная щелочь заменяется эквивалентным количеством слабоосновной соли, в меньшей — степени влияющей на реакцию среды. Анионы СНзСОО

, образующиеся при диссоциации этой соли, будут оказывать некоторое Угнетающее действие на диссоциацию уксусной кислоты.

Буферные растворы в зависимости от своего состава делятся на 2 основных типа: кислотные и основные.

Приме­ром кислотного буфера может служить ацетатный буферный раствор, содержащий смесь уксусной кислоты и ацетата натрия (СНзСООН + СНзСООNа). При добавлении к такому раствору кисло­ты она взаимодействует с солью и вытесняет эквивалентное коли­чество слабой кислоты: СНзСООNа + НСl ó СН₃СООН + NaСl. В растворе вместо сильной кислоты образуется слабая, и по­этому величина рН уменьшается незначительно. Если к этому буферному раствору добавить щелочь, она нейтра­лизуется слабой кислотой, и в растворе образуется эквивалентное количество соли: СНзСООН + NaОН ó СНзСООNа + Н₂О. В результате рН почти не увеличивается. Для расчета рН в буферном растворе на примере ацетатного буфера рассмотрим процессы, в нем протекающие, и их влияние друг на друга. Ацетат натрия практически полностью диссоциирует на ионы, ацетат-ион подвергается гидролизу, как ион слабой кислоты: СНзСООNа -> Na + + СН₃СОО

СНзСОО — + НОН ó СНзСООН + ОН — . Уксусная кислота, также входящая в буфер, диссоциирует лишь в незначительной степени: СНзСООН ó СН₃СОО+H — Слабая диссоциация СНзСООН еще более подавляется в при-сутствии СНзСООNа, поэтому концентрацию недиссоциированной уксусной кислоты принимаем практически равной ее начальной концентрации:[СНзСООН] = с_r. C другой стороны, гидролиз соли также подавлен наличием в растворе кислоты. Поэтому можно считать, что концентрация аце­тат-ионов в буферной смеси практически равна исходной концент­рации соли без учета концентрации ацетат-ионов, образующихся в результате диссоциации кислоты: [СНзСОО] = с_с. Это уравнение называют уравнением буферного раствора (уравнением Гендерсона Гассельбаха). Его анализ для буферного раствора, образованного слабой кислотой и ее солью, показывает, что концентрация водородных ионов в буферном растворе опреде­ляется константой диссоциации слабой кислоты и соотношением концентраций кислоты и соли. Уравнение Гендерсона-Хассельбаха для буферных систем основного типа:

31.Емкость буферных растворов и факторы, определяющие её. Буферные системы крови. Водородкарбонатный буфер. Фосфатный буфер.

Буферной емкостью (В) называется количество сильной кислоты или сильного основания, которое нужно прибавить к одному литру буферного раствора, чтобы изменить его рН на еди­ницу. Она выражается в моль/л или чаще в ммоль/л и опреде­ляется по формуле: В = (c V) / д pH Vб , где В — буферная емкость; с — концентрация сильной кислоты или основания (моль/л); V — объем добавленного сильного электролита (л); V_б — объем буферного раствора (л); д рН — изменение рН.

Способность растворов поддерживать постоянное значение pH небезгранична. Буферные смеси можно различить по силе оказываемого ими сопротивления по отношению к действию кислот и оснований, вводимых в буферный раствор.

Количество кислоты или щелочи, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы значение его pH изменилось на единицу, называют буферной емкостью.

Таким образом, буферная емкость является количественной мерой буферного действия раствора. Буферный раствор имеет максимальную буферную емкость при pH = pK кислоты или основания, образующей смесь при соотношении ее компонентов, равном единице. Чем выше исходная концентрация буферной смеси, тем выше ее буферная емкость. Буферная емкость зависит от состава буферного раствора, концентрации и соотношения компонентов.

Нужно уметь правильно выбрать буферную систему. Выбор определяется необходимым интервалом pH. Зона буферного действия определяется силовым показателем кислоты (основания) ±1 ед.

При выборе буферной смеси необходимо учитывать химическую природу ее компонентов, так как вещества раствора, к которым добав-

ляется буферная система, могут образовывать нерастворимые соединения, взаимодействовать с компонентами буферной системы.

Буферное действие уравнение гендерсона гассельбаха

а) Уравнение Гендерсона-Хассельбаха. Как уже обсуждалось ранее, концентрацию ионов Н+ принято выражать не в абсолютных величинах, а в единицах рН. Напомним, что значение рН представляет собой значение -lg ионов Н+.

Аналогичным способом может быть выражена константа диссоциации: рК = -log К.

Следовательно, концентрацию ионов Н+ в уравнении 4 можно выразить в единицах pH через отрицательный логарифм:

Чтобы не производить вычисления с отрицательным логарифмом, можно изменить его знак, поменяв местами числитель и знаменатель дроби согласно правилам логарифмирования. В результате получим:

Для бикарбонатной буферной системы рК равно 6,1, и уравнение выше может быть преобразовано следующим образом:

Последнее уравнение называют уравнением Гендерсона-Хасселъбаха. С его помощью можно рассчитать рН раствора при условии, если известны значения молярной концентрации HCO₃ — и P_CO2. Из этого уравнения становится очевидным, что увеличение содержания HCO₃ — вызывает повышение рН, приводя к алкалозу.

Увеличение P_CO2 снижает рН, смещая кислотно-щелочное равновесие в сторону ацидоза. Уравнение Гендерсона-Хассельбаха, дополнительно определяющее признаки нормального состояния рН и кислотно-щелочного равновесия во внеклеточной жидкости, позволяет понять механизмы физиологической регуляции содержания кислот и оснований во внеклеточной жидкости.

Как будет рассмотрено далее, концентрация бикарбонатов регулируется главным образом почками, тогда как P_CO2 во внеклеточной жидкости зависит от вентиляции легких. Усиление легочной вентиляции способствует выведению CO₂ из плазмы, при снижении показателей вентиляции легких значение P_CO2 возрастает. Гомеостаз кислотно-щелочного состояния поддерживается согласованными действиями обеих систем: выделительной и дыхательной. Повреждение одного или обоих регулирующих механизмов приводит к нарушениям, вследствие которых содержание бикарбонатов или P_CO2 во внеклеточной жидкости изменяется.

Нарушения, смещающие кислотно-щелочное равновесие путем изменения содержания бикарбонатов во внеклеточной жидкости, называют метаболическими, поэтому ацидоз, вызванный таким изменением, носит название метаболического ацидоза, а алкалоз, первичной причиной которого является увеличение концентрации ионов бикарбоната, называют метаболическим алкалозом. При увеличении P_CO2 возникает дыхательный ацидоз, а при снижении — дыхательный алкалоз.

Кривая титрования бикарбонатной буферной системы, отражающая pH внеклеточной жидкости при изменении процентного содержания HCO₃ — и CO₂ (или H₂CO₃) в растворе

б) Кривая титрования бикарбонатной буферной системы. На рисунке выше показаны сдвиги рН во внеклеточной жидкости в ответ на изменения содержания HCO₃ — и CO₂ во внеклеточной жидкости. Когда концентрации двух этих компонентов равны, правая часть уравнения Гендерсона-Хасселъбаха становится логарифмом 1, который равен нулю, поэтому величина рН раствора такая же, как и рК (6,1) бикарбонатной буферной системы. При добавлении к ней основания часть растворенного CO₂ преобразуется в HCO₃ — , увеличивая значение соотношения HCO₃ — к CO₂ и, соответственно, рН, что становится очевидным из уравнения Гендерсона-Хассельбаха. Добавленная в раствор кислота связывается HCO₃ — , который затем преобразуется в растворенный CO₂, что уменьшает соотношение между HCO₃ — к CO₂ и рН внеклеточной жидкости.

в) Буферная емкость раствора определяется суммарной и относительной концентрацией компонентов буферной системы. Особенность расположения ряда точек, изображенных на кривой титрования рисунке, является вполне объяснимой. Во-первых, при условии, когда доля каждого компонента буферного раствора (HCO₃ — и CO₂) составляет по 50%, рН и рК равны. Во-вторых, буферная система наиболее эффективно действует в центральной части кривой, где рН приближен к рК системы. Это означает, что изменения рН, возникающие в результате добавления к раствору кислот или оснований, в этом диапазоне значений наименьшие. Деятельность буферной системы остается эффективной при отклонениях значений рН в любую сторону в пределах 1, что расширяет границы деятельности буфера от 5,1 до 7,1 единиц. Вне указанных границ буферная емкость быстро снижается. Когда весь CO₂ преобразуется в HCO₃ — или, наоборот, когда весь HCO₃ — преобразуется в CO₂, система полностью теряет емкость.

Абсолютная концентрация компонентов буферной системы также является важным показателем, определяющим буферную емкость. При низкой концентрации компонентов буферной системы добавленные даже в небольшом количестве кислоты и щелочи приводят к значительным изменениям рН.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Механизм действия фосфатного буфера.Уравнение Гендерсона-Гассельбаха

Буферные системы

буферные системы образованы буферными растворами

буферные – растворы, рН которых почти не меняется

при разбавлении или добавлении небольших количеств к-ты или основания

ПР: ацетатный СН₃СООН + СН₃СООNa

согласно протонной теории буферные системы — сопряженные кислотно-основные пары B/BH + и НА/А —

B + H + Û BH + HA Û H + + A —

основание сопряженная к-та к-та сопряженное основание

в живых организмах буферные системы поддерживают кислотно-основный гомеостаз

кислотно-основный гомеостаз — кислотно-основное равновесие внутренней среды организма

рН внутренней среды организма должен быть оптимальным для биохимических реакций

для человека физиологическое значение pH=7,4

кислотно-основное равновесие поддерживают буферные свойства крови и механизмы коррекции

62)Классификация буферных систем.

буферные системы различают по компонентам:

— слабая кислота и ее соль, образованная сильным основанием – буферная система кислотного типа

ПР: ацетатный буфер СН₃СООН + СН₃СООNa

по теории Берстреда буферная система кислотного типа — сопряженная кислотно-основная пара НА/А —

ПР: ацетатный буфер СН₃СООН/СН₃СОО —

— слабое основание и его соль, образованная сильной кислотой – буферная система основного типа

ПР: аммиачный буфер NН₄ОН + NH₄Cl

по теории Берстреда буферная система основного типа — сопряженная кислотно-основная пара B/BH +

— соли слабых многоосновных кислот – буферная система кислотного типа

по теории Берстреда буферная система кислотного типа — сопряженная кислотно-основная пара НА/А —

ПР: фосфатный буфер H₂PO — /HPO₄ 2-

— амфолиты – буферная система кислотного типа

ПР: аминокислотный буфер

63)Механизм действия ацетатного буфера.

ацетатный буфер состоит из уксусной кислоты СН₃СООН и ацетата натрия СН₃СООNa

— уксусная кислота – слабый электролит

где К_а=1,85×10 -5 — коэффициент диссоциации уксусной кислоты

— ацетат натрия – сильный электролит

ацетат натрия увеличивает концентрацию аниона СН₃СОО —

равновесие реакции СН₃СООН Û СН₃СОО — + Н + смещается влево

диссоциация уксусной кислоты тормозится

практически, анион СН₃СОО — образуется только путем диссоциации ацетата натрия СН₃СООNa

молярная концентрация аниона СН₃СОО — равна молярной концентрации соли [СН₃СОО — ]=[СН₃СООNa]

— рН ацетатного буфера определяет К_а=1,85×10 -5 и соотношение концентрации уксусной кислоты и ацетата натрия

уравнение Гендерсона-Гассельбаха для расчета рН буферных систем кислотного типа

где рК – показатель кислотности уксусной кислоты

— при разбавлении ацетатного буфера соотношение концентрации кислоты и соли не меняется,

поэтому при разбавлении рН ацетатного буфера сохранится

— при добавлении кислоты идет реакция кислоты и ацетата натрия

СН₃СОО — + Na + + H + + Cl — ® СН₃СООH + Na + + Cl —

катионы водорода H + связываются анионами уксусной кислоты СН₃СОО — + H + ® СН₃СООH

рН ацетатного буфера изменится за счет увеличения концентрации уксусной кислоты и уменьшения соли

механизм изменения рН:

*хотя образуется избыток уксусной кислоты СН₃СООH и равновесие реакции СН₃СООН Û СН₃СОО — + Н + смещается вправо,

но по закону Освальда повышение концентрации СН₃СООH снижает степень ее диссоциации,

и концентрация катионов водорода H + увеличивается незначительно,

поэтому при добавлении кислоты рН ацетатного буфера, практически, не изменится

— при добавлении основания идет реакция основания и уксусной кислоты

СН₃СООH + Na + + ОН — ® СН₃СОО — + Na + + Н₂О

гидроксид-ионы ОH — связываются катионами водорода уксусной кислоты ОН — + H + ® Н₂О

рН ацетатного буфера изменится за счет увеличения концентрации соли и уменьшения концентрации кислоты

механизм изменения рН:

*хотя образуется избыток аниона уксусной кислоты СН₃СОО — и

равновесие реакции СН₃СООН Û СН₃СОО — + Н + смещается влево,

но по закону Освальда снижение концентрации СН₃СООH повышает степень ее диссоциации,

и концентрация катионов водорода H + уменьшается незначительно,

*хотя уксусная кислота расходуется,

но диссоциируют на катионы водорода H + только часть молекул кислоты,

которая восполняется за счет недиссоциирующих молекул, и диссоциация не прекращается,

поэтому при добавлении основания рН ацетатного буфера, практически, не изменится

— при добавлении небольших количеств кислот-щелочей изменение рН ацетатного буфера невелико

при добавлении больших количеств кислот-щелочей изменение рН ацетатного буфера значительно

Механизм действия фосфатного буфера.Уравнение Гендерсона-Гассельбаха.

фосфатный буфер состоит из солей ортофосфорной кислоты: однозамещенной NaH₂PO₄ и двузамещенной Na₂HPO₄

— соли ортофосфорной кислоты – сильные электролиты

Na₂HPO₄® NaHPO₄ — + Na + NaHPO₄ — ® HPO₄ 2- + Na + HPO₄ 2- Û PO₄ 3- + Н + (эта стадия практически, не идет)

важно, что H₂PO₄ — — слабая кислота и слабый электролит, NaHPO₄ — — сильный электролит

H₂PO₄ — Û HPO₄ 2- + Н +

где К_а — коэффициент диссоциации кислоты H₂PO₄ —

— NaHPO₄ — — сильный электролит

NaHPO₄ — увеличивает концентрацию аниона HPO₄ 2-

равновесие реакции H₂PO₄ — Û HPO₄ 2- + Н + смещается влево

диссоциация H₂PO₄ — тормозится

практически, анион HPO₄ 2- образуется только путем диссоциации NaHPO₄ —

молярная концентрация аниона HPO₄ 2- равна молярной концентрации соли [HPO₄ 2- ]=[NaHPO₄ — ]

— рН фосфатного буфера определяет К_а и соотношение концентрации H₂PO₄ — и NaHPO₄ —

уравнение Гендерсона-Гассельбаха для расчета рН буферных систем кислотного типа

где рК – показатель кислотности кислоты H₂PO₄ —

— при разбавлении фосфатного буфера соотношение концентрации кислоты и соли не меняется,

поэтому при разбавлении рН фосфатного буфера сохранится

— при добавлении кислоты идет реакция кислоты и NaHPO₄ —

HPO₄ 2- + Na + + H + + Cl — ® H₂PO₄ — + Na + + Cl —

катионы водорода H + связываются анионами HPO₄ 2- + H + ® H₂PO₄ —

рН фосфатного буфера изменится за счет увеличения концентрации H₂PO₄ — и уменьшения HPO₄ 2-

механизм изменения рН:

*хотя образуется избыток H₂PO₄ — и

равновесие реакции H₂PO₄ — Û HPO₄ 2- + Н + смещается вправо,

но по закону Освальда повышение концентрации H₂PO₄ — снижает степень ее диссоциации,

и концентрация катионов водорода H + увеличивается незначительно,

поэтому при добавлении кислоты рН фосфатного буфера, практически, не изменится

— при добавлении основания идет реакция основания и H₂PO₄ —

гидроксид-ионы ОH — связываются катионами водорода ОН — + H + ® Н₂О

рН фосфатного буфера изменится за счет увеличения концентрации соли и уменьшения концентрации кислоты

механизм изменения рН:

*хотя образуется избыток аниона HPO₄ 2- и

равновесие реакции H₂PO₄ — Û HPO₄ 2- + Н + смещается влево,

но по закону Освальда снижение концентрации HPO₄ 2- повышает степень ее диссоциации,

и концентрация катионов водорода H + уменьшается незначительно,

*хотя HPO₄ 2- расходуется,

но диссоциируют на катионы водорода H + только часть молекул кислоты,

которая восполняется за счет недиссоциирующих молекул, и диссоциация не прекращается,

поэтому при добавлении основания рН фосфатного буфера, практически, не изменится

— при добавлении небольших количеств кислот-щелочей изменение рН фосфатного буфера невелико

при добавлении больших количеств кислот-щелочей изменение рН фосфатного буфера значительно