Буферные системы, их состав и механизм действия. Расчет рН буферных систем. Буферная емкость. Биологическое значение буферных систем.

Буферные системы – растворы, способные сохранять приблизительно постоянное значение рН, при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот и оснований.

Буферные растворы – смеси, состоящие из слабой кислоты и ее соли или слабого основания и его соли.

Классификация буферных растворов:

I Буферные растворы индивидуальных веществ: насыщенный водный раствор гидротартрата калия KHC4H4O6; водный раствор гидрофталата калия KHC8H4O4; водный раствор тетрабората натрия (буры) Na2B4O7*10H2O

II.Буферные растворы смеси веществ:

1.Буферные растворы, содержащие смеси слабого электролита и его соли: ацетатный буфер; водный раствор уксусной кислоты и ацетата натрия ( CH3COOH + CH3COONa); формиатный буфер – смесь растворов муравьиной кислоты и формиата натрия (HCOOH + HCOONa); аммиачный буфер – смесь растворов NH3*H2O + NH4Cl

- универсальная буферная смесь – растворы ортофосфорной, уксусной и борной кислот с раствором гидроксида натрия.

2. Буферные системы из смеси различных веществ: - фосфатный буфер – водный раствор однозамещенного ортофосфата калия и двузамещенногоортофосфата натрия ( KH2PO4 + Na2HPO4) - водный раствор HCl + NH2CH2COOH(глицин) - водный раствор NaOH + KHC8H4O4 (гидрофталат натрия)

Механизмы действия Буферных систем. 1.Кислотный буфер (слабая кислота и ее соль) Ацетатный буфер (CH3COOH+CH3COONa). Механизм действия: - При добавлении сильной кислоты к буферной смеси, кислота реагирует с солью, в результате этой реакции образуются другая соль и слабая уксусная кислота. CH3COONa + HCl = CH3COOH+NaCl- При добавлении сильного основания к буферной смеси между молекулами сильного основания и слабой кислоты протекает реакция нейтрализации CH3COOH+NaOH = CH3COONa + H2O 2. Основной буфер (слабое основание и его соль) Аммиачный буфер ( NH3*H2O + NH4Cl ). Механизм действия: - При добавлении сильной кислоты к буферной смеси, кислота реагирует со слабым основанием по реакции нейтрализация NH4OH+HCl = NH4Cl + H2O - При добавлении сильного основания к буферной смеси, основание реагирует с солью, в результате реакции образуется другая соль и слабое основание NH4Cl + NaOH = NaCl + NH4OH

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. Ацетатный буфер. 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. 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); Vб - объем буферного раствора (л); д рН - изменение рН

Чему равен рН буферного раствора, образовавшегося при смешении 30 миллилитров 0, 1 М раствора уксусной кислоты (СН3СООН) и 50 миллилитров 0, 3 М раствора ацетата калия (СН3СООK)?

Kа = 1, 74 ⋅ 10–5.

Решение задачи

Хотелось бы напомнить, что буферные растворы используют для того, чтобы поддерживать постоянную кислотность среды.

Обычно они содержат слабую кислоту и сопряженное ей основание (например, CH3COOH/CH3COO –) или слабое основание и сопряженную ему кислоту (например, NH3/NH4 +).

Буферные растворы образуются при неполной нейтрализации слабой кислоты сильным основанием или слабого основания сильной кислотой.

Рассчитаем объем буферного раствора (V) по формуле:

Получаем:

V = 30 + 50 = 80 (мл).

Вычислим молярную концентрацию уксусной кислоты (СН3СООН) и молярную концентрацию ацетата калия (СН3СООK) в буферной смеси, полученной путем смешения растворов уксусной кислоты (СН3СООН) и ацетата калия (СН3СООK):

СМ (СН3СООН) = (Vисх. (СН3СООН) ⋅ СМ, исх.(СН3СООН)) / V = (30 ⋅ 0, 1) / 80 = 0, 0375 (М),

СМ (СН3СООK) = (Vисх. (СН3СООK) ⋅ СМ, исх.(СН3СООK)) / V = (50 ⋅ 0, 3) / 80 = 0, 1875 (М).

Для нахождения рН буферного раствора, рассчитаем равновесную концентрацию ионов водорода по формуле:

где Ka – константа диссоциации слабой кислоты.

Получаем:

[H+] = 1, 74 ⋅ 10–5 ⋅ 0, 0375 / 0, 1875 = 3, 48 ⋅ 10–6 (моль/л).

Вычислим рН буферного раствора по формуле:

Получаем:

рН = –lg3, 48 ⋅ 10–6 = 5, 46

Ответ:

рН буферного раствора равен 5, 46.

или

Организм можно определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления, служащие одной цели – сохранению постоянства внутренней среды. Это относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций организма человека и животных называется гомеостазом.

Этот процесс осуществляется преимущественно деятельностью лёгких и почек за счёт дыхательной и выделительной функции. В основе гомеостаза лежит сохранение кислотно-основного баланса. Для нормальной жизнедеятельности большинства клеток необходимы достаточно узкие пределы рН (6, 9 – 7, 8), и организм вынужден постоянно осуществлять нейтрализацию образующихся кислот. Этот процесс выполняют буферные системы, которые связывают избыток ионов водорода и контролируют их дальнейшие перемещения в организме. Буферные системы играют очень важную роль, т.к. в результате различных метаболических процессов в организме постоянно образуются различные кислоты, которые сразу же нейтрализуются буферными системами: гидрокарбонатной, фосфатной, белковой и гемоглобиновой.

Главной буферной системой организма является гидрокарбонатный буфер, состоящий из Н2СО3 и NaHCО3. При рН около 7, 4 в организме преобладает гидрокарбонат-ион, и его концентрация может в 20 раз превышать концентрацию угольной кислоты. По своей природе угольная кислота очень нестойкая и сразу же после образования расщепляется на углекислый газ и воду. Реакции образования и последующего быстрого расщепления угольной кислоты в организме настолько совершенны, что им часто не придают особого значения. Эти реакции катализируется ферментом карбоангидразой, который находится в эритроцитах и в почках. Особенность гидрокарбонатной буферной системы состоит в том, что она открыта. Избыток ионов водорода связывается с гидрокарбонат-ионом, образующийся при этом углекислый газ стимулирует дыхательный центр, вентиляция лёгких повышается, а излишки углекислого газа удаляются при дыхании. Так в организме поддерживается баланс рН. Чем больше в клетках образуется ионов водорода, тем больше расход буфера. На этом этапе метаболизма подключаются почки, которые выводят избыток ионов водорода, и количество гидрокарбоната в организме восстанавливается.

Фосфатный буфер может действовать как в составе органических молекул, так и в качестве свободных ионов. Одна его молекула способна связывать до трёх катионов водорода. Белки могут присоединять к своей полипептидной цепочке как кислотные, так и основные группы.

Буферная ёмкость белковой буферной системы может охватывать широкий диапазон рН. В зависимости от имеющейся величины рН она может связывать как гидроксильные группы, так и ионы водорода. Третья часть буферной ёмкости крови приходится на гемоглобин. Каждая молекула гемоглобина может нейтрализовать несколько ионов водорода. Когда кислород переходит из гемоглобина в ткани, способность гемоглобина связывать ионы водорода возрастает и наоборот: когда в лёгких происходит оксигенация гемоглобина, он теряет присоединённые ионы водорода. Освободившиеся ионы водорода реагируют с гидрокарбонатом, и в результате образуется углекислый газ и вода. Образовавшийся углекислый газ удаляется из лёгких при дыхании.

Буферные свойства гемоглобина обусловлены соотношением восстановленного гемоглобина (ННb) и его калиевой соли (КНb). В слабощелочных растворах, каким является кровь, гемоглобин и оксигемоглобин имеют свойства кислот и являются донорами Н+ или К+. Эта система может функционировать самостоятельно, но в организме она тесно связана с гидрокарбонатной. Когда кровь находится в тканевых капиллярах, откуда поступают кислые продукты, гемоглобин выполняет функции основания: КНb + Н2СО3 ↔ ННb + КНСО3. В легких гемоглобин, напротив, ведет себя, как кислота, предотвращая защелачивание крови после выделения углекислоты.

Таким образом, механизм регуляции кислотно-основного равновесия крови в целостном организме заключается в совместном действии внешнего дыхания, кровообращения, выделения и буферных систем.

 

 

18) Электропроводность растворов электролитов (общая, удельная, эквивалентная). Практическое применение электропроводности. Кондуктометрическое титрование.

Электропроводность электролитов, способность электролитов проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Носителями тока являются положительно и отрицательно заряженные ионы - катионы и анионы, которые существуют в растворе вследствие электролитич. диссоциации. Ионная электропроводность электролитов, в отличие от электронной, характерной для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений. Общая (суммарная) проводимость состоит из проводимости катионов и анионов, которые под действием внешнего электрического поля движутся в противоположных направлениях. Доля общего кол-ва электричества, переносимого отдельными ионами, называется числами переноса, сумма которых для всех видов ионов, участвующих в переносе, равна единице.

Удельной электропроводностью (" каппа" ) раствора называется электропроводность слоя раствора длиной 1 см, заключенного между электродами площадью 1см2. Она выражается в Ом-1. см-1. В системе СИ удельная электропроводность измеряется в Ом-1. м-1.

Эквивалентной электропроводностью (" лямбда" ) называется электропроводность такого объема раствора, в котором содержится 1 г-экв растворенного вещества; при условии, что электроды находятся на расстоянии 1 см друг от друга, она выражается в Ом-1. см2. г-экв-1.

,

где V = 1/C - разведение (или разбавление) раствора, т.е. объем, в котором содержится 1 г-экв растворенного вещества, а C - эквивалентная концентрация (нормальность) раствора. В системе СИ эквивалентная электропроводность выражается в Ом-1. м2. кг-кв-1.

Эквивалентная электропроводность растворов электролитов возрастает с ростом разбавления раствора и при бесконечном разбавлении (т.е. при бесконечно малой концентрации) достигает предельного значения 0. которое называется эквивалентной электропроводностью раствора при бесконечном разведении.

Физико-химические методы анализа

Зная эквивалентную электропроводность раствора можно рассчитать степень (a) и константу диссоциации (K) растворенного в нем слабого электролита:

где λ V – эквивалентная электропроводность при данном разведении V; λ ∞ – предельная эквивалентная электропроводность.

где с – молярная концентрация электролита в растворе, моль/дм3.

На измерении удельной электропроводности основан кондуктометрический метод анализа (кондуктометрия). В аналитической химии широкое применение имеет кондуктометрическое титрование. При этом точку эквивалентности фиксируют по резкому изменению удельной электропроводности исследуемого раствора в ходе его титрования. Этот метод удобен при исследовании окрашенных или мутных растворов, в которых трудно заметить изменение окраски индикатора.

Рассмотрим в качестве примера титрование сильной кислоты HCl сильным основанием NaOH:

HCl + NaOH = NaCl + H2O

H+ + OH– = H2O

При постепенном прибавлении раствора NaOH к кислоте ионы H+ и OH– в растворе заменяются менее подвижными ионами Na+ и электропроводность раствора уменьшается. В точке эквивалентности она будет наименьшая. При добавлении избыточного количества щелочи из-за прекращения реакции нейтрализации ионы OH– станут накапливаться в растворе, резко увеличивая его электропроводность. По результатам измерений строят график зависимости электропроводности от объема прибавленного раствора щелочи (рис. 92).

Абсцисса точки пересечения двух прямых соответствует конечной точке титрования, т.е. точке эквивалентности.

Рис. 92. Кривая кондуктометрического титрования сильной кислоты сильным основанием, (1/Rx – электропроводность раствора)

Методы анализа, основанные на измерении электропроводности, широко применяются для технологического контроля во многих производствах, определения влажности различных объектов, содержания солей в воде, в ряде биологических жидкостей или в почве. По электропроводности растворов можно количественно определять растворимость труднорастворимых соединений, изоэлектрическую точку аминокислот, пептидов и белков.

Кондуктометрическим титрованием называется титриметрический метод анализа, в котором точка эквивалентно­сти определяется по изменению электрической проводимости раствора в ходе титрования. Кондуктометрическое титрование состоит в том, что к точ­ному объему исследуемого раствора, помещенного в электро­химическую ячейку, добавляют из бюретки равными порциями титрант и после каждого добавления измеряют электрическое сопротивление в ячейке. При титровании могут протекать различные химические ре­акции: нейтрализации, осаждения, комплексообразования, окис­лительно-восстановительные. Общим требованием к ним являет­ся достаточно резкое различие в электропроводящих свойствах веществ, присутствующих в системе до и после точки эквива­лентности. Наиболее часто это условие выполняется в реакциях нейтрализации. Зависимость между электрической проводимостью титруемо­го раствора и добавленным объемом титранта отражается в виде кондуктометрической кривой титрования - графика зависимости Кондуктометрическая кривая титрования иссле­дуемого раствора одного соединения состоит из двух ветвей, пере­секающихся в точке эквивалентности. Характер кривых титрова­ния зависит от силы электролитов, присутствующих в системе, и подвижности их ионов. Рассмотрим несколько примеров. Титрование сильной кислоты сильным основанием, на­пример раствора НСl раствором NaOH. При титровании протека­ет реакция

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: