Кислотно-основные буферные системы и растворы
Кислотно-основные буферные системы и растворы
Буферными
называют растворы, рН которых практически на изменяется от добавления к ним
небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разведении.
Простейший буферный раствор – это смесь слабой кислоты и соли, имеющей с этой
кислотой общий анион (например, смесь уксусной кислоты СН3СООН и
ацетата натрия СН3СООNa),
либо смесь слабого основания и соли, имеющей с этим основанием общий катион
(например, смесь гидроксида аммония NH4OH
с хлоридом аммония NH4Cl).
С
точки зрения протонной теории1
буферное
действие растворов обусловлено наличием кислотно-основного равновесия общего
типа:
Воснование
+ Н+ Û
ВН+сопряженная кислота
НАкислота
Û
Н+ + А-сопряженное основание
Сопряженные
кислотно-основные пары В /ВН+ и А- /НА называют буферными
системами.
Буферные
растворы играют большую роль в жизнедеятельности. К числу исключительных
свойств живых организмов относится их способность поддерживать постоянство рН
биологических жидкостей, тканей и органов – кислотно-основной гомеостаз. Это
постоянство обусловлено наличием нескольких буферных систем, входящих в состав
этих тканей.
Классификация
кислотно-основных буферных систем. Буферные системы могут быть четырех типов:
Слабая
кислота и ее анион А- /НА:
ацетатная
буферная система СН3СОО-/СН3СООН в растворе СН3СООNa и СН3СООН,
область действия рН 3, 8 – 5, 8.
Водород-карбонатная
система НСО3-/Н2СО3 в растворе NaНСО3 и Н2СО3,
область её действия – рН 5, 4 – 7, 4.
Слабое
основание и его катион В/ВН+:
аммиачная
буферная система NH3/NH4+ в
растворе NH3 и
NH4Cl,
область
ее действия – рН 8, 2 – 10, 2.
Анионы
кислой и средней соли или двух кислых солей:
карбонатная
буферная система СО32- /НСО3- в
растворе Na2CO3 и NaHCO3, область
ее действия рН 9, 3 – 11, 3.
фосфатная
буферная система НРО42-/Н2РО4-
в растворе Nа2НРО4
и NаН2РО4,
область ее действия рН 6, 2 – 8, 2.
Эти
солевые буферные системы можно отнести к 1-му типу, т. к. одна из солей этих
буферных систем выполняет функцию слабой кислоты. Так, в фосфатной буферной
системе анион Н2РО4- является слабой кислотой.
4.
Ионы и молекулы амфолитов. К ним относят аминокислотные и белковые буферные
системы. Если аминокислоты или белки находятся в изоэлектрическом состоянии
(суммарный заряд молекулы равен нулю), то растворы этих соединений не являются
буферными. Они начинают проявлять буферное действие, когда к ним добавляют
некоторое количество кислоты или щелочи. Тогда часть белка (аминокислоты)
переходит из ИЭС в форму “белок-кислота” или соответственно в форму
“белок-основание”. При этом образуется смесь двух форм белка: (R – макромолекулярный остаток
белка)
а)
слабая “белок-кислота” + соль этой слабой кислоты:
СОО-
СООН
R – СН + Н+
Û R – СН
N+Н3
N+Н3
основание
А- сопряженная кислота НА
(соль
белка-килоты) (белок-кислота)
б)
слабое “белок-основание” + соль этого слабого основания:
СОО-
СОО-
R – СН + ОН-
Û R – СН + Н2О
N+Н3
NН2
кислота
ВН+ сопряженное основание В
(соль
белка-основания) (белок-основание)
Таким
образом, и этот тип буферных систем может быть отнесен соответственно к
буферным системам 1-го и 2-го типов.
Механизм
буферного действия можно понять на примере ацетатной буферной системы СН3СОО-/СН3СООН,
в основе действия которой лежит кислотно-основное равновесие:
СН3СООН Û СН3СОО- + Н+; (рКа = 4, 8)
Главный
источник ацетат-ионов – сильный электролит СН3СООNa:
СН3СООNa ® СН3СОО- + Na+
При
добавлении сильной кислоты сопряженное основание СН3СОО- связывает
добавочные ионы Н+, превращаясь в слабую уксусную кислоту:
СН3СОО- + Н+ Û СН3СООН
(кислотно-основное
равновесие смещается влево, по Ле Шателье)
Уменьшение
концентрации анионов СН3СОО- точно уравновешивается
повышение концентрации молекул СН3СООН. В результате происходит
небольшое изменение в соотношении концентраций слабой кислоты и ее соли, а
следовательно, и незначительно изменяется рН.
При
добавлении щелочи протоны уксусной кислоты (резервная кислотность)
высвобождаются и нейтрализуются добавочные ионы ОН-, связывая их в
молекулы воды:
СН3СООН + ОН- Û СН3СОО- + Н2О
(кислотно-основное
равновесие смещается вправо, по Ле Шателье)
В
этом случае также происходит небольшое изменение в соотношении концентраций
слабой кислоты и ее соли, а следовательно, и незначительное изменение рН. Уменьшение
концентрации слабой кислоты СН3СООН точно уравновешивается повышение
концентрации анионов СН3СОО-.
Аналогичен
механизм действия и других буферных систем. Например, для белкового буферного
раствора, образованного кислой и солевой формами белка, при добавлении сильной
кислоты ионы Н+ связываются солевой формой белка:
СОО-
СООН
R – СН + Н+
® R – СН
N+Н3
N+Н3
Количество
слабой кислоты при это незначительно увеличивается, а солевой формы белка –
эквивалентно уменьшается. Поэтому рН остается практически постоянным.
При
добавлении щелочи к этому буферному раствору ионы Н+, связанные в "белке
– кислоте", высвобождаются и нейтрализуют добавленные ионы ОН-:
СООН СОО-
R – СН + ОН-
® R – СН + Н2О
N+Н3
NН2
Количество
солевой формы белка при этом незначительно увеличивается, а "белка –
кислоты" – эквивалентно уменьшается. И поэтому рН практически не
изменится.
Таким
образом, рассмотренные системы показывают, что буферное действие раствора
обусловлено смещением кислотно-основного равновесия за счет связывания
добавляемых в раствор ионов Н+ и ОН- в результате реакции
этих ионов и компонентов буферной системы с образованием малодиссоциированных
продуктов.
В
основе расчета рН буферных систем лежит закон действующих масс для
кислотно-основного равновесия.
Для
буферной системы 1-го типа, например, ацетатной, концентрацию ионов Н+
в растворе легко вычислит, исходя из константы кислотно-основного равновесия
уксусной кислоты:
СН3СООН Û СН3СОО- + Н+; (рКа = 4, 8)
Ка=
Похожие работы на - Кислотно-основные буферные системы и растворы
|