Уравнение гендерсона гассельбаха для буферных систем

Вычисление рН буферных растворов Уравнение Гендерсона -Хассельбаха

1) Аналитическое выражение для расчета рН буферного раствора, например, ацетатного буфера можно получить из уравнения для константы диссоциации (к реакциям диссоциации применим закон действующих масс).

,

разрешив его относительно концентрации ионов водорода [H + ] можно написать:

Уксусная кислотаприсутствует в растворе в смеси с CH₃COONa в виде неионизированных молекул. Поэтому концентрацию молекул можно принять равной общей молярной концентрации кислоты в растворе, т. е. [СН₃СООН] = С_кисл. Концентрацию анионов уксусной кислоты можно принять равной концентрации соли, т. е. [СН₃СОО — ] = Ссоли, так как CH₃COONa— сильный электролит, диссоциирующий в растворе на 100%. Приняв эти упрощения, получим:

2. Логарифмируя полученное уравнение и заменяя знаки логарифмов на обратные, получаем:

но – Ig [Н + ] есть рН, а – Ig К есть рК — силовой показатель кислоты.

С учетом этого получим:

Это уравнение называют уравнением буферного раствора (или уравнением Гендерсона-Гассельбаха).

Если при приготовлении буферной системы взять одинаковые концентрации кислоты и соли, то концентрация ионов водорода в таком растворе будет равна константе ионизации кислоты, так как отношение Скис/Ссоли = 1 и [Н + ]=К1, т.е. [Н + ]=К, поэтому рН=рК.

Аналогично для систем NH₄OH + NH₄C1получают выражения:

1. Запишем уравнение константы ионизации NH₄OH и найдем [ОН — ]:

2. Отсюда находим:

Зная, что рН + рОН = 14, получим:

Задача 1. Сколько 0,5 М раствора CH₃COONa нужно прибавить к 100 мл 2М раствора СН₃СООН, чтобы получить буферный раствор с рН=4?

Откуда

Подставляем числовые данные и получаем:

Число Ig 0,76 = 5,754. Следовательно, отношение концентрации кислоты к концентрации соли должно быть равно 5,754 : 1.

2. Находим концентрацию кислоты в буферной системе:

3. Зная концентрацию кислоты, находим концентрацию солив буферной системе; она должна быть равна 0,2:5,754= 0,03475 (моль).

4. Находим количество 0,5 М раствора ацетата натрия, содержащего 0,03475 моль:

Задача 2.Вычислить рН аммиачной буферной системы, содержащей по 0,5 М NH₄ОН и NH₄C1. Как изменится рН при добавлении к 1 л этой смеси 0,1 М НС1 и при добавлении к 1 л этой смеси 0,1 М NaOH и при разбавлении раствора водой в 10 раз, если рК (NH₄ОН) =4,75?

Дата добавления: 2015-08-08 ; просмотров: 10274 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Уравнение гендерсона гассельбаха для буферных систем

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