Выбрать уравнение гендерсона для кислотной буферной системы

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.

Буферные растворы

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. В этом случае буферное действие растворов характеризуется наличием кислотно-основного равновесия:

Образуемые сопряженные кислотно-основные пары НА/А– и В/ВН+ называют буферными системами.

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 (NH3⋅H2O + 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. Тогда часть белка (аминокислоты) переходит из изоэлектрического состояния в форму “белок-кислота” или соответственно в форму “белок-основание”. Образуется смесь двух форм белка: а) слабая “белок-кислота” + соль этой слабой кислоты; б) слабое “белок — основание” + соль этого слабого основания:

где R — макромолекулярный остаток белка.

Расчет рН буферных систем

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:

CH3COONa → Na+ + CH3COO–

CH3COO– + HOH ⇄ CH3COOH + OH–

Уксусная кислота, также входящая в буфер, диссоциирует лишь в незначительной степени:

CH3COOН ⇄CH3COO– + H+

Слабая диссоциация СН3СООН еще более подавляется в присутствии СН3СООNa, поэтому концентрацию недиссоциированной уксусной кислоты принимаем практически равной ее начальной концентрации:

С 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:

Согласно закону действующих масс, равновесие между продуктами диссоциации уксусной кислоты и недиссоциированными молекулами подчиняется уравнению:

Кд = .

Подставив общую концентрацию кислоты и соли в уравнение константы диссоциации, получим: [Н+] = Кд,

отсюда для кислотных буферных систем: рН = рК(кислоты) + lg . Это уравнение называют уравнением Гендерсона – Гассельбаха.

рК — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации

После аналогичного вывода для основных буферных систем:

рОН = рК(основания) + lg , рН =14 – рК(основания) – lg

где рК(кислоты),рК(основания) — отрицательный десятичный логарифм константы электролитической диссоциации слабой кислоты; слабого основания; [соль] — концентрация соли, [кислота] — концентрация кислоты, [основание] — концентрация основания.

Из этих уравнений видно, что рН кислотной (основной) буферной системы зависит от природы слабого электролита (рК(кислоты), рК(основания)) и от соотношения концентраций соли и кислоты (основания).

Следует отметить, что буферные системы эффективно поддерживают рН в диапазоне: рК(кислоты)± 1 для кислотных систем; 14 – (рК(основания)± 1) для основных систем.

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 (это ничтожное изменение рН при разбавлении буферного раствора в 100 раз обусловлено некоторым изменением коэффициента активности соли). 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:

кислотный компонент – основной компонент–

слабая кислота сопряженное основание

а) 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

б) При добавлении небольшого количества NaOH, – ионы нейтрализуются кислотным компонентом буферного раствора:

+ 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

Способность буферного раствора сохранять значение рН при добавлении сильной кислоты или щелочи приблизительно на постоянном уровне характеризует буферная емкость.

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 (Вкисл.) или основанию (щелочи) (Восн.) и рассчитывается по формулам:

Вкисл.= Восн.=

где V(HA), V(B) — объемы добавленных кислоты или щелочи, л.; Сн(НА), Сн(В) — молярные концентрации эквивалента соответственно кислоты и щелочи; V(б. р.) — объем исходного буферного раствора, л.; рНо, рН — значения рН буферного раствора до и после добавления кислоты или щелочи; |рН-рНо| — разность рН по модулю.

Буферная емкость по отношению к кислоте (Вкисл.) определяется концентрацией (количеством эквивалентов) компонента с основными свойствами; буферная емкость по отношению к основанию (Восн.) определяется концентрацией (количеством эквивалентов) компонента с кислотными свойствами в буферном растворе.

Максимальная буферная емкость при добавлении сильных кислот и оснований достигается при соотношении компонентов буферного раствора равном единице, когда рН = рК, при этом Восн.= В кисл. (рис.1).Поэтому, применение любой буферной смеси ограничено определенной областью рН (областью буферирования), а именно:

рН = рК(кислоты)± 1 для кислотных систем, или

рН= 14 – (рК(основания)± 1) для основных систем.

Буферная емкость зависит не только от отношения концентраций компонентов буферного раствора, но и от общей концентрации буферной смеси.

Рис.1. Изменение буферной емкости в зависимости от величины отношения [соль]/[кислота].

Пусть, например, даны два буферных раствора, один из которых содержит по 100, а другой – по 10 миллимолей уксусной кислоты и ацетата натрия. Сравним, как изменяются их рН при добавлении к 1 л каждого раствора 5 миллимолей соляной кислоты.

Добавляемая кислота вступит в реакцию с ацетатом натрия, и это отношение в первом растворе станет равным 0,9, а во втором 0,33. В итоге у первого раствора отношение соль/кислота и, следовательно, величина рН изменились меньше. Отсюда видно, что первый буферный раствор обладает большей буферной емкостью.

Таким образом, буферная емкость в основном зависит от соотношения концентраций компонентов и их абсолютных концентраций, а следовательно, от разбавления.

Буферные системы организма

Главным источником ионов водорода в организме является углекислый газ, образующийся в результате метаболизма (обмена веществ) ≈ 15000 ммоль/сутки.

Гидратация углекислого газа приводит к образованию угольной кислоты:

СО2 + Н2О ⇄ Н2СО3⇄ + Н+

В меньшей степени количество ионов Н+ (30–80 ммоль/сутки) обусловлено поступлением в организм, а также образованием в нем таких кислот как серной (в результате обмена серусодержащих аминокислот), фосфорной (при метаболизме фосфорсодержащих соединений), органических кислот, образующихся при неполном окислении липидов и углеводов.

Организм освобождается от кислот благодаря процессам дыхания и мочевыделения, т. е. в организме существует взаимосвязь между метаболическими процессами и газообменом. В оценке кислотно-основного состояния организма важно не только определение значения рН, но и характеристика механизмов, обеспечивающих регуляцию этого параметра.

Если бы в организме не было немедленных буферных механизмов и респираторной (дыхательной) компенсации, то тогда даже обычные, ежедневные нагрузки кислотами сопровождались бы значительными колебаниями величины рН.

Постоянство рН жидких сред организма поддерживается в живых организмах буферными системами. Главным из них являются гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Действие всех буферных систем в организме взаимосвязано, что обеспечивает биологическим жидкостям постоянное значение рН. В организме человека и животных буферные системы находятся в крови (плазме и эритроцитах), в клетках и межклеточных пространствах других тканей.

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.

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