Уравнение буферной системы

Буферные системы.

Протолитический гомеостаз выражается в достаточно постоянных значениях рН биологических сред и в способности восстанавливать рН при поступлении в эти среды кислот и оснований. Нарушение протолитического баланса может угрожать жизни. С помощью физиологических процессов (дыхание, мочевыделение, почки) кислоты и основания выводятся из организма медленно, а быстрая их нейтрализация и поддержание рН жидких сред на необходимом уровне осуществляется за счет физико-химических процессов, среди которых, прежде всего, следует отметить протолитические равновесия в буферных системах.

Буферная система – это равновесная система, способная поддерживать примерно на постоянном уровне какой-либо параметр при незначительных внешних воздействиях. Протолитические буферные системы поддерживают постоянство рН при добавлении небольших количеств кислот и оснований. Раствор, содержащий одну или несколько буферных систем, называется буферным раствором. Буферные системы и буферные растворы часто называют просто буферами.

Буферный раствор – это раствор, содержащий протолитическую равновесную систему, способную поддерживать практически постоянное значение рН при разбавлении или при добавлении небольших количеств кислоты или щелочи.

В протолитических буферных системах компонентами являются донор протона и акцептор протона, представляющие собой сопряженную кислотно-основную пару.

Классификация

Буферные системы могут быть четырех типов:

I тип. Кислотная буферная система: слабая кислота и её анион; в растворе слабая кислота и её соль.

Примеры:

ацетатный буфер:

CН₃СООН /СН₃СОО^–, в растворе CН₃СООН и CН₃СООNa

гидрокарбонатный буфер:

Н₂СО₃ /НСО₃^–, в растворе Н₂СО₃ и NaHCO₃

II тип. Основная буферная система: слабое основание и её катион; в растворе слабое основание и её соль.

Примеры:

аммиачный буфер:

NН₃ /NН₄⁺, в растворе NН₃ и NН₄Сl

III тип. Солевая буферная система: анионы кислой и средней соли или анионы двух кислых солей; в растворе кислая и средняя соль или две кислые соли с различной степенью замещения протона.

Примеры:

гидрофосфатный буфер:

Н₂РО₄^–/НРО₄^2–, в растворе NaН₂РО₄ и Na₂НРО₄

карбонатный буфер:

НСО₃^–/СО₃^2–, в растворе NaНСО₃ и Na₂CO₃

Солевые буферные системы можно отнести и к первому типу, т.к. одна из солей выполняет функцию слабой кислоты.

IV тип. Амфотерная органическая буферная система: ионы и молекулы амфолитов.

Примеры:

аминокислотный буфер:

белковый (протеиновый) буфер: анионный – HProt / (Prot)^–

катионный – (Н₂Prot)⁺ / HProt

Белки в изоэлектрическом состоянии (суммарный заряд молекулы равен нулю) проявляют буферное действие, когда к ним добавляют небольшое количество кислоты или основания.

Эти буферные системы можно отнести к буферным системам первого и второго типов.

Уравнение буферной системы

Уравнение буферной системы выражает зависимость рН буферного раствора от состава буферной системы.

рН = рК_а – ℓg

Анализ уравнения показывает, что величина рН буферного раствора зависит от природы веществ, образующих буферную систему, соотношения концентраций компонентов и температуры (т.к. от нее зависит величина рК_а). Для кислотной буферной системы рН зависит от показателя константы диссоциации слабой кислоты рК_а и отношения концентраций акцептора протона (соли) и донора протона (кислоты) в растворе. Для основной буферной системы рН зависит от величины рК_а сопряженной кислоты данного основания и отношения концентраций акцептора протона (основания) и донора протона (соли) в растворе.

При разбавлении буферных растворов концентрации всех компонентов уменьшаются. Но так как они изменяются одинаково, то их отношение остается неизменным. Величина константы диссоциации слабого электролита не изменяется при разведении. Поэтому рН буферного раствора, согласно уравнению, при разбавлении не меняется. (В действительности это наблюдается до тех пор, пока концентрация компонентов буферных растворов не станет меньше 0,01 моль/л).

Добавление небольших количеств сильной кислоты или щелочи в буферный раствор моментально вызывает защитную реакцию протолитической буферной системы по поддержанию постоянного значения рН среды. Это происходит за счет связывания добавляемых ионов Н⁺ или ОН^–соответствующими компонентами буферной системы с образованием малодиссоциирующих соединений. Катионы Н⁺ связываются акцептором протона буферной системы, анионы ОН^–связываются донором протона.

Активная кислотность (АК) характеризуется концентрацией свободных ионов водорода в растворе. Потенциальная кислотность (ПК) - кислотность, обусловленная наличием в растворе недиссоциированных молекул кислоты. Общая кислотность (ОК) учитывает активную и потенциальную кислотности.

Буферная емкость

Способность буферного раствора сохранять рН по мере прибавления сильной кислоты или щелочи приблизительно на постоянном уровне далеко не беспредельна и ограничена величиной так называемой буферной емкости.

Буферная емкость раствора – это величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении сильных кислот или щелочей. Это мера буферного действия.

Буферная емкость измеряется количеством моль эквивалентов кислоты или щелочи, добавление которых к 1 л буферного раствора изменяет рН на единицу. Обозначается В и измеряется в моль/л.

Различают буферную емкость по кислоте и по щелочи.

Буферная емкость по кислоте:

численно равна количеству моль-эквивалентов сильной кислоты, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу.

Буферная емкость по щелочи:

численно равна количеству моль-эквивалентов щелочи, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу.

Буферная емкость раствора возрастает по мере увеличения концентрации его компонентов (буферная емкость по кислоте определяется концентрацией акцептора протона, а буферная емкость по щелочи определяется концентрацией донора протона) и приближения соотношения компонентов к единице.

При разбавлении буферного раствора величина буферной емкости уменьшается вследствие снижения концентрации всех компонентов раствора.

Важным показателем для физиологических сред является буферная емкость по кислоте, т.к. в результате метаболизма (совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках) в человеческом организме образуется больше кислотных продуктов, чем основных.