Классификация буферных систем

Тип системы Название системы Состав системы Состав раствора Область действия, DрН
Кислотные Классификация буферных систем - student2.ru Ацетатная Классификация буферных систем - student2.ru Классификация буферных систем - student2.ru 3,8–5,8
Гидрокарбонатная Классификация буферных систем - student2.ru Классификация буферных систем - student2.ru 5,4–7,4
Фосфатная Классификация буферных систем - student2.ru Классификация буферных систем - student2.ru 6,2–8,2
Основные Классификация буферных систем - student2.ru Аммиачная Классификация буферных систем - student2.ru Классификация буферных систем - student2.ru 8,2–10,2
Амфолиты (содержат кислотную и основную группы) Белковая и аминокислотная Классификация буферных систем - student2.ru Классификация буферных систем - student2.ru Соль белка-кислоты Белок-кислота Классификация буферных систем - student2.ru Белок-основание Соль белка-основания pH<6,0     pH>6,0

Механизм защитного действия буферных системпо поддержанию постоянства рН среды сводится к связыванию добавляемых в раствор ионов Классификация буферных систем - student2.ru и Классификация буферных систем - student2.ru компонентами буферной системы в малодиссоциирующие соединения.

1. Механизм буферного действия кислотных буферных систем на примере ацетатного буфера Классификация буферных систем - student2.ru

Ацетатная буферная система состоит из слабой кислоты Классификация буферных систем - student2.ru (донор Классификация буферных систем - student2.ru ) и сопряженного основания Классификация буферных систем - student2.ru (акцептор Классификация буферных систем - student2.ru ), в растворе Классификация буферных систем - student2.ru

При добавлении к буферному раствору сильной кислоты ионы Классификация буферных систем - student2.ru связываются ацетат-ионами в слабую уксусную кислоту:

Классификация буферных систем - student2.ru ,

а при добавлении щелочей ионы Классификация буферных систем - student2.ru нейтрализует уксусная кислота, связывая их в молекулы воды:

Классификация буферных систем - student2.ru

Концентрации компонентов буферной системы и их отношение меняются незначительно, поэтому рН раствора остается практически постоянным.

2. Механизм буферного действия основных буферных систем на примере аммиачного буфера Классификация буферных систем - student2.ru . Классификация буферных систем - student2.ru - слабое основание (акцептор Классификация буферных систем - student2.ru ), Классификация буферных систем - student2.ru - сопряженная кислота (донор Классификация буферных систем - student2.ru ), в растворе Классификация буферных систем - student2.ru .

Нейтрализация кислот:

Классификация буферных систем - student2.ru

Нейтрализация щелочей:

Классификация буферных систем - student2.ru

Каждая буферная система характеризуется определенной концентрацией ионов водорода (рН), которую стремится сохранить при добавлении кислоты, основания или при разбавлении. Определяется рН буферных растворов по уравнению Гендерсона-Гассельбаха.

В основе расчета рН буферных систем лежит закон действующих масс для кислотно-основного равновесия.

1. Вывод уравнения Гендерсона-Гассельбаха для кислотных буферных систем на примере ацетатного буферного раствора Классификация буферных систем - student2.ru .

В кислотных буферных системах всегда наблюдаются два процесса:

обратимый – диссоциация слабой кислоты:

Классификация буферных систем - student2.ru

необратимый – диссоциация соли:

Классификация буферных систем - student2.ru

Концентрация ионов Классификация буферных систем - student2.ru легко вычислить из константы кислотно-основного равновесия уксусной кислоты (константы диссоциации):

Классификация буферных систем - student2.ru

Откуда:

Классификация буферных систем - student2.ru

Присутствие в буферном растворе сильного электролита с одноименным анионом подавляет и без того слабую диссоциацию уксусной кислоты Классификация буферных систем - student2.ru (принцип Ле Шателье). Поэтому концентрация недиссоциированных молекул Классификация буферных систем - student2.ru практически равна равновесной концентрации кислоты, а концентрация ионов Классификация буферных систем - student2.ru - концентрации соли.

В данном случае:

Классификация буферных систем - student2.ru

Прологарифмировав выражение, получаем уравнение Гендерсона-Гассельбаха для кислотных буферных систем:

Классификация буферных систем - student2.ru

2. Вывод уравнения Гендерсона-Гассельбаха для основных буферных систем на примере аммиачного буферного раствора NH3.H2O/NH4Cl

При взаимодействии слабого основания с водой последняя, выступая донором H+, способствует ионизации этого основания:

Классификация буферных систем - student2.ru

Классификация буферных систем - student2.ru

Отсюда: [OH]= Классификация буферных систем - student2.ru

Или [OH]= Классификация буферных систем - student2.ru

Прологарифмировав, получаем:

рОН= Классификация буферных систем - student2.ru

рН= Классификация буферных систем - student2.ru

Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха следует ряд важных выводов.

1. рН буферных растворов зависит от отрицательного десятичного логарифма константы диссоциации слабой кислоты рКа или основания рКв и от отношения концентраций кислотно-основной пары, но практически не зависит от разбавления раствора.

2. Значения рКа любой кислоты и рКв любого основания можно вычислить по измеренному рН раствора, если известны молярные концентрации компонентов.

3. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха позволяет рассчитать рН буферного раствора, если известны значения рКа (рКв) и молярные концентрации компонентов.

4. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха можно использовать для определения отношения компонентов буфера, чтобы приготовить раствор с заданным значением рН.

Способность буферных растворов сохранять рН ограничена. Прибавлять кислоту и щелочь, существенно не меняя рН буферного раствора, можно лишь в небольших количествах.

Величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении кислот и щелочей, называется буферной емкостью.

Буферная емкость (В) измеряется количеством моль или ммоль эквивалента кислоты или щелочи, добавление которого к 1 л буферного раствора изменяет рН на единицу.

Различают буферную емкость по кислоте (Вк) и буферную емкость по основанию (Вщ), которые рассчитываются с помощью уравнений:

Классификация буферных систем - student2.ru Классификация буферных систем - student2.ru

где Классификация буферных систем - student2.ru и Классификация буферных систем - student2.ru - молярные концентрации эквивалента кислоты или щелочи соответственно, моль/л (моль/л);

vк и vщ- объемы добавленных кислоты или щелочи, л;

vбр- объем буферного раствора, л;

│рН-рНо│- разность рН буферного раствора по модулю.

Буферная емкость зависит от ряда факторов.

1. Чем выше концентрации компонентов буферного раствора, тем больше его буферная емкость.

2. Буферная емкость зависит от отношения концентраций компонентов , а следовательно , и от рН буфера. При рН=рКа буферная емкость максимальна.

3. Установлено, что достаточное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию другого не более, чем в 10 раз.

Интервал рН=рКа±1 называется зоной буферного действия.

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

Буферные системы организма – это, прежде всего, гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Все эти системы имеются в крови, где с их помощью особенно строго поддерживается рН=7,4±0,05, несмотря на поступление в кровь из кишечника и тканей значительного количества кислот и небольшого- оснований.

Гидрокарбонатная буферная система Классификация буферных систем - student2.ru состоит из угольной кислоты Классификация буферных систем - student2.ru (донор протона) и сопряженного основания Классификация буферных систем - student2.ru (акцептор протона) в растворе Классификация буферных систем - student2.ru .

Ее особенность в том, что один из компонентов- угольная кислота Классификация буферных систем - student2.ru образуется при взаимодействии растворенного в плазме СО2 с водой. Между СО2 в альвеолах и гидрокарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка равновесий:

Классификация буферных систем - student2.ru

Угольная кислота при физиологическом значении рН=7,4 находится преимущественно в виде Классификация буферных систем - student2.ru , а отношение компонентов буферной системы крови Классификация буферных систем - student2.ru = 20:1. Таким образом, главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот:

Классификация буферных систем - student2.ru

Нейтрализация оснований:

Классификация буферных систем - student2.ru

Гидрокарбонатная буферная система является системой быстрого эффективного реагирования, т.к. продукт ее взаимодействия с кислотами- углекислый газ- быстро выводится через легкие. Нарушение кислотно- основного равновесия в организме компенсируется прежде всего гидрокарбонатным буфером (за 10–15 минут).

Гидрокарбонатный буфер обеспечивает около 55% от всей буферной емкости крови. Он содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для гидрокарбонатного буфера имеет вид:

Классификация буферных систем - student2.ru

Согласно цепочке равновесий содержание Н2СО3 определяется концентрацией растворенного СО2 , которая по закону Генри пропорциональна давлению СО2 в газовой фазе. В конечном счете оказывается, что [H2CO3] пропорциональна р(СО2 ) и уравнение Гендерсона-Гассельбаха с учетом этого принимает вид:

Классификация буферных систем - student2.ru

Фосфатная буферная система Классификация буферных систем - student2.ru содержится в крови и клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках она представлена Классификация буферных систем - student2.ru и Классификация буферных систем - student2.ru , а в плазме крови и межклеточной жидкости Классификация буферных систем - student2.ru и Классификация буферных систем - student2.ru . Роль донора протона в этой системе играет ион Классификация буферных систем - student2.ru , а акцептора протона – ион Классификация буферных систем - student2.ru . Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха для фосфатной буферной системы

Классификация буферных систем - student2.ru

следует, что при значении рНкрови=7,4 отношение Классификация буферных систем - student2.ru . Следовательно, и эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. При накоплении катионов Н+ во внутриклеточной жидкости, например, после приема мясной пищи происходит их нейтрализация ионами Классификация буферных систем - student2.ru :

Классификация буферных систем - student2.ru (выводится почками, моча кислая, рН≈4,8)

При увеличении концентрации оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Классификация буферных систем - student2.ru :

Классификация буферных систем - student2.ru (удаляется почками, моча щелочная, рН≈7,5)

Фосфатная буферная система более «консервативна», чем гидрокарбонатная, т.к. фосфатная система работает преимущественно с почками, а гидрокарбонатная с легкими. Длительность восстановления отношения Классификация буферных систем - student2.ru до нормы составляет 2-3 суток, а для Классификация буферных систем - student2.ru - 10-18 часов. Этот факт необходимо учитывать при терапевтической коррекции нарушений кислотно-основного равновесия организма.

Белковые буферные системы бывают анионного (основного) и катионного (кислотного) типов, в зависимости от кислотно-основных свойств белка, которые характеризуются его изоэлектрической точкой (рI). Изоэлектрические точки большинства белков плазмы крови лежат в слабокислой среде (рI=4,9-6,3). При рН>рI эти белки существуют в анионной форме, а при рН<рI - катионной.

Анионный белковый буфер работает в крови (рН>6). Он состоит из белка-основания (анионная форма белка ― акцептор Н+ ) и сопряженной кислоты (диполярный ион ― донор Н+):

Классификация буферных систем - student2.ru

белок-основание (В) белок-соль ― сопряженная кислота( Классификация буферных систем - student2.ru )

Механизм действия:

Классификация буферных систем - student2.ru   слабый электролит
Классификация буферных систем - student2.ru слабый электролит  
     

Катионная белковая буферная система обычно поддерживает величину рН в физиологических средах с рН<6. Она состоит из белка-кислоты (катион белка-донор Н+) и сопряженного основания (диполярный ион ― акцептор Н+):

Классификация буферных систем - student2.ru

белок-кислота(НА) белок-соль ― сопряженное основание ( Классификация буферных систем - student2.ru )

Механизм действия:

Классификация буферных систем - student2.ru слабый электролит  

слабый электролит

Классификация буферных систем - student2.ru слабый электролит

Гемоглобиновая Классификация буферных систем - student2.ru и оксигемоглобиновая Классификация буферных систем - student2.ru буферные системы ― мощные системы эритроцитов. В качестве донора Классификация буферных систем - student2.ru выступают две слабые кислоты: гемоглобин Классификация буферных систем - student2.ru и оксигемоглобин Классификация буферных систем - student2.ru . Роль акцептора Классификация буферных систем - student2.ru выполняют сопряженные этим кислотам основания, т.е. их анионы Классификация буферных систем - student2.ru и Классификация буферных систем - student2.ru .

Механизм буферного действия гемоглобиновых систем основан на следующих реакциях:

Классификация буферных систем - student2.ru Классификация буферных систем - student2.ru

Классификация буферных систем - student2.ru Классификация буферных систем - student2.ru .

(нейтрализация кислот) (нейтрализация оснований)

Гемоглобиновые системы крови эффективно функционируют только в сочетании с другими буферными системами крови.

Наши рекомендации