Величину, характеризующую способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении кислот или щелочей, называют буферной емкостью раствора
Буферная емкость В измеряется количеством кислоты или щелочи (моль-или моль эквивалента), добавление которого к 1л. буферного раствора изменяет рН на единицу.
Математически буферная емкость определяется следующим образом:
- буферная емкость по кислоте
- буферная емкость по щелочи
Vk, Vщ - объемы добавленной кислоты или щелочи;
n(l/z)k, n(l/z)щ - количество моль-эквивалента кислоты или щелочи;
С(1/z)k, C(l/z)щ - молярные концентрации эквивалента кислоты или щелочи;
Vб.р. - объем буферного раствора;
(ΔрН) -разность рН по модулю.
Наибольшей буферной емкостью обладают концентрированные буферные растворы. Из буферных растворов с равной концентрацией наибольшей емкостью обладают те, которые составлены из равного количества компонентов, т.е. соотношение С(кислота) / С(соли) должно быть равно единице.
Изменение рН ацетатной буферной смеси в зависимости от соотношения кислоты соли при добавлении НСl или NaOH показаны в таблице 4.
Таблица 4.
| Исходные СНзСООН: CHзCOONa | рН | Добавлено 5 мг-экв. | Конечные СНзСООН: CHзCOONa | рН | рН |
| 94:6=15,7 | 3,53 | НСl | 99:1 | 2.43 | 0,80 |
| 90:10=9,0 | 3,78 | НСl | 95:5 | 3.45 | 0,33 |
| 85:15=5,67 | 3,98 | НСl | 90:10 | 3.78 | 0.20 |
| 75:25=3,0 | 4,25 | НСl | 80:20 | 4.13 | 0,12 |
| 50:50=1,0 | 4,74 | НСl | 55:45 | 4.66 | 0,08 |
| 50:50=1,0 | 4,74 | NaOH | 45:55 | 4.82 | 0,08 |
| 25:75=0,33 | 5,21 | NaOH | 20:80 | 5.33 | 0,12 |
| 15:85=0,18 | 5,48 | NaOH | 10:90 | 5.68 | 0,20 |
| 10:90=0,11 | 5,68 | NaOH | 5:95 | 6.01 | 0,33 |
| 6:94=0,063 | 5,93 | NaOH | 1:99 | 6.73 | 0,80 |
ЗАДАЧИ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Задача №1.
Вычислите концентрацию ионов гидроксила (OH- ) в моче при pH=6
Решение:
pOH+pH=14
Отсюда
pOH=-lg a(OH- )
8=-lg a(OH-) -8
a(OH-) = антилогарифм(-8)=10
Задание 1
Вычислите концентрацию ионов гидроксила в биологических объектах при указанных значениях pH
| Биологические объекты | рН | Биологические объекты | рН |
| Сыворотка крови | 7.4 | Желудочный сок | |
| Слюна | 6.5 | Спинно-мозговая жидкость | 7.45 |
| Молоко | 6,8 | Желчь в пузыре | 5,8 |
| Содержимое тонкого кишечника | 8,0 | Слезная жидкость | 7,5 |
| Желчь в протоках | 7,8 | Сок поджелудочной железы | 7,6 |
| Печень | 6,9 | Кожа | 6,4 |
Задача №2.
Рассчитайте pH ацетатной буферной смеси, состоящей из 100 мл 0,1моль/л CH3COOH и 200 мл 0,2 моль/л CH3COONa, pKCH3COOH=4,76.
Решение:
Для расчётов воспользуемся уравнением Гендерсона-Гассельбаха:
С(1/zCH3COONa)*V(CH3COONa)
pH=pKCH3COOH + lg ;
C(1/zCH3COOH)*V(CH3COOH)
pH=4,76+lg 
=4,76+lg4=4,76+0,6021=5,3621
Задание 2.
Рассчитайте pH буферных смесей при заданных условиях и определите в каких пределах изменяется их pH.
| буферная смесь | pK | объем, мл | Концентрация, Моль/л | ||
| Соли | Кислоты | Соли | Кислоты | ||
| Ацетатная | 4,76 | 1,0 | 4,0 | 0,1 | 0,1 |
| 4,76 | 2,5 | 2,5 | 0,1 | 0,1 | |
| 4,76 | 3,5 | 1,5 | 0,1 | 0,1 | |
| 4,76 | 4,0 | 1,0 | 0,1 | 0,1 | |
| 4,76 | 4,5 | 0,5 | 0,1 | 0,1 | |
| Фосфатная | 6.86 | 1,0 | 4,0 | 0,02 | 0,02 |
| 6.86 | 2,5 | 2,5 | 0,02 | 0,02 | |
| 6.86 | 3,5 | 1,5 | 0,02 | 0,02 | |
| 6.86 | 4,0 | 1,0 | 0,02 | 0,02 | |
| 6.86 | 4,5 | 0,5 | 0,02 | 0,02 |
Задача №3.
Вычислите соотношение концентрации CH3COONa и CH3COOH в буферном растворе с pH, равным 5,8.
Решение:
В соответствии с уравнением Гендерсона-Гассельбаха:
pH=pK(к)+lg 
.
Отсюда
lg 
=pH-pK(к)=5,8-4,8=1,0
Тогда 
=антилогарифм(1,0)=10
Задание 3.
Рассчитайте соотношение концентраций компонентов буферных систем для указанных значений pH.
| Буферные системы | Состав буферных систем | Кд(кислоты) | pH |
| Ацетатная | _ CH3COO/CH3COOH | 1,75*10-5 | 5,7 |
| Ацетатная | _ CH3COO/CH3COOH | 3,0*10-5 | 5,12 |
| Гидрокарбонатная | _ HCO3/H2CO3 | 4,4*10-7 | 7,66 |
| Фосфатная | _ HPO42-/H2PO4 | 1,6*10-7 | 7,4 |
| Гемоглобиновая | _ Hв/HHв | 6,31*10-9 | 7,36 |
| Цитратная | H2C6H5O7/H3C6H5O7 | 1,2*10-3 | 4,15 |
Задача №4.
К 100 мл крови для изменения pH от 7,36 до 7,0 надо добавить 36 мл 0,005 м раствора HCl.
Математически буферная ёмкость определяется следующим образом.
Буферная ёмкость по кислоте (моль/л):
Вк.= 
;
Буферная ёмкость по щёлочи(моль/л):
Вщ.= 
;
V(HA),V(B)-объёмы добавленных кислоты HA или щёлочи B соответственно л;
C(1/zHA), C(1/zB)-молярные концентрации соответственно эквивалента кислоты и щёлочи.
V(б.р.)-объём буферного раствора, л.
pH0, pH-значение pH буферного раствора до и после добавления кислоты или щёлочи.
Задание 4.
Рассчитайте буферную ёмкость по кислоте Вк буферных систем крови.
| Буферная смесь | Vб.р.,мл | pH0 | pH | V(HA), мл | C(1/zHA) моль/л |
| Гидрокарбонатная буферная система крови | 7,40 | 7,04 | 0,02 | ||
| 7,38 | 7,28 | 0,1 | |||
| 7,4 | 7,20 | 0,05 | |||
| Фосфатная буферная система крови | 7,38 | 7,06 | 0,005 | ||
| 7,40 | 7,10 | 0,005 | |||
| 7,38 | 7,02 | 0,01 |
Рассчитайте буферную ёмкость по щёлочи Вщ буферных систем крови.
| Буферная смесь | Vб.р.,мл | pH0 | pH | V(HA), мл | C(1/zHA) моль/л |
| Гидрокарбонатная буферная система крови | 7,4 | 7,04 | 0,005 | ||
| 7,4 | 7,00 | 0,01 | |||
| 7,38 | 7,18 | 0,005 | |||
| Фосфатная буферная система крови | 7,36 | 7,00 | 1,8 | 0,005 | |
| 7,38 | 7,08 | 1,5 | 0,01 | ||
| 7,40 | 7,14 | 0,01 |
Для проверки своих результатов воспользуйтесь литературными данными.
| Буферная смесь | Вк., моль/л | Вщ., моль/л |
| Гидрокарбонатная буферная система плазмы крови | 1-2 | |
| Фосфатная буферная система плазма крови | 1-2 | 0,5 |