Буферные растворы (1). Нсоо, где донор протона нсоон муравьиная кислота, а акцептор протона нсоо
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ. Многие реакции для протекания в определённом направлении требуют строго определённой величины рН среды. Изменение рН может угрожать жизни. С помощью физиологических процессов (дыхание, мочевыделение) 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. Буферный раствор – это раствор, содержащий одну или несколько буферных систем. Буферная система – это система, обладающая буферным действием. Протолитическая буферная система – это кислотно-основная равновесная система, состоящая из двух компонентов и обладающая буферным действием. Буферное действие – это способность сохранять на неизменном уровне концентрацию ионов Н (активную кислотность) при разбавлении или при добавлении небольших количеств сильных кислот или сильных оснований. Любая кислотно-основная буферная система является равновесной смесью, состоящей из донора и акцептора протона, которые представлены слабыми кислотами, слабыми основаниями, анионами кислых и средних солей, ионами и молекулами амфолитов. Название буфера составляется от названия акцептора протона. Примеры формиатный буфер НСООН / НСОО – , где донор протона НСООН – муравьиная кислота, а акцептор протона НСОО – – формиат анион аммиачный буфер Н НОН, где донор протона Н катион аммония, а акцептор протона Н аммиак карбонатный буфер НСО 3 – /CO 3 2– , где донор протона НСО 3 – – гидрокарбонат иона акцептор протона СО карбонат ион Для слабых электролитов следует выделить три вида кислотности Активная кислотность – концентрация свободных ионов водорода Потенциальная кислотность – концентрация недиссоциированных молекул кислоты Общая кислотность – сумма активной и потенциальной кислотностей. Например, для гидрокарбонатного буфера все эти виды кислотности можно условно представить следующим образом Н 2 СО 3 ⇄ Н+ НСО 3 – Н 2 О + Н 2 СО 3 ⇄ НО+ НСО 3 – ПК АК ПК АК ОК ОК Механизм буферного действия При увеличении концентрации ионов водорода происходит их связывание компонентом буферной системы, который является акцептором протона. Концентрация донора протона при этом увеличивается, а концентрация акцептора протона на туже величину уменьшается. Добавленная АК переходит в ПК. ПК и ОК ↑, а АК в исходном буферном растворе не изменяется ⇒ рН практически не изменится. Соотношение компонентов донор протона/акцептор протона увеличится. Восстановление соотношения компонентов происходит с помощью физиологических процессов. ÄÎ Í Î Ð Ï ÐÎ ÒÎ Í À ÀÊÖÅÏ ÒÎ Ð Ï ÐÎ ÒÎ Í À + Í + äî í î ð ï ðî òî í à ÀÊ Ï Ê ðÍ const ñèëüí àÿ êèñëî òà ñëàáû é ýëåêòðî При увеличении концентрации гидроксид ионов происходит их связывание компонентом буферной системы, который является донором протона. Концентрация акцептора протона при этом увеличивается, а концентрация донора протона на туже величину уменьшается. ПК переходит в АК, которая связывается в слабый элетролит(воду). ПК и ОК , а АК в исходном буферном растворе не изменяется ⇒ рН практически не изменится. Соотношение компонентов донор протона/акцептор протона уменьшится. Восстановление соотношения компонентов происходит с помощью физиологических процессов. ÄÎ Í Î Ð Ï ÐÎ ÒÎ Í À ÀÊÖÅÏ ÒÎ Ð Ï ÐÎ ÒÎ Í À + Î Í -- àêöåï òî ð ï ðî òî í à + Í 2 Î Ï Ê ÀÊ (Í + + Î Í - ) ðÍ const ñèëüí î å î ñí î âàí èå ñëàáû é ýëåêòðî ПРИМЕРЫ 1) ãèäðî êàðáî í àòí û é áóô åð H 2 CO 3 HCO 3 -- + Í + H 2 CO 3 ÀÊ 1 Ï Ê 1 Ï Ê Î Ê ÀÊ=const pH = const H 2 CO 3 HCO 3 -- ãèäðî êàðáî í àòí û é áóô åð H 2 CO 3 HCO 3 -- + OH -- HCO 3 -- + H 2 O Ï Ê 1 ÀÊ 1 (Í + ) Ï Ê Î Ê ÀÊ=const pH = const H 2 CO 3 HCO 3 -- 2) ãèäðî ô î ñô àòí û é áóô åð H 2 PO 4 -- HPO 4 2-- + Í + H 2 PO 4 -- ÀÊ 1 Ï Ê 1 Ï Ê Î Ê ÀÊ=const pH = const H 2 PO 4 -- HPO 4 2-- ãèäðî ô î ñô àòí û é áóô åð H 2 PO 4 -- HPO 4 2-- + OH -- HPO 4 2-- + H 2 O Ï Ê 1 ÀÊ 1 (Í + ) Ï Ê Î Ê ÀÊ=const pH = const H 2 PO 4 -- HPO 4 2-- Уравнение буферной системы Уравнение буферной системы выражает зависимость рН буферного раствора от состава буферной системы. рН = рК а – ℓg протона] [акцептор протона] [донор Величина рН буферного раствора зависит от природы веществ, образующих буферную систему, соотношения концентраций компонентов и температуры (т.к. от нее зависит величина рК а – показателя константы диссоциации донора протона. При разбавлении буферных растворов концентрации всех компонентов уменьшаются одинаково и их отношение остается неизменным. Величина константы диссоциации слабого электролита не изменяется при разведении. Поэтому рН буферного раствора, согласно уравнению, при разбавлении не меняется. Избыточные катионы Н + связываются акцептором протона буферной системы, избыточные анионы ОН связываются донором протона с образованием слабых электролитов. При этом соотношение компонентов изменяется незначительно, а его логарифм остается практически на постоянном уровне и значение рН практически не изменяется. Уравнение буферной системы можно использовать для расчета рН буферного раствора, определения константы диссоциации слабого электролита, определения соотношения компонентов буферной системы. Зона буферного действия В буферных системах, используемых на практике, концентрации компонентов не отличаются друг от друга более чем враз, те. их рН не отклоняется больше чем на единицу от величины р своего слабого электролита. Если концентрации компонентов буферного раствора различаются более чем враз, то такой раствор обладает слабым буферным действием и может удерживать неизменным содержание ионов Н + только при добавлении очень малых количеств сильной кислоты, либо щелочи. Таким образом, область практических значений рН буферных систем (область буферирования) лежит в интервале pK ± Интервал рН = рК 1 называется зоной буферного действия. Интервал, в котором буферная система проявляет свои буферные свойства, ниже или выше этого интервала буферное действие прекращается. Таким образом, на основе кислоты, имеющей определенное значение рК, можно приготовить буферные растворы, поддерживающие значение рН в диапазоне от рК – 1 до рК + 1. Где рК = К Пример ацетатный буфер эффективно поддерживает рН в диапазоне 3,8 – 5,8; область действия гидрокарбонатного буфера 5,4 – 7,4, область действия гидрофосфатного буфера 6,2 – 8,2, область действия аммиачного буфера 8,2 – 10,2. Буферная емкость Способность буферных систем сохранять рН небеспредельна. Величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать изменению рН среды при добавлении кислот или щелочей, называется буферной емкостью. Буферная емкость – это мера буферного действия. Буферная емкость определяется количеством моль эквивалентов сильной кислоты или щелочи, при добавлении которых кл буферного раствора его рН изменяется на единицу. Обозначается В и измеряется в моль/л. Различают буферную емкость по кислоте и по щелочи. Буферная емкость по кислоте – количество моль-эквивалентов сильной кислоты, которое нужно добавить кл буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу. Буферная емкость по щелочи – количество моль-эквивалентов щелочи, которое нужно добавить кл буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу. Буферная емкость по кислоте определяется концентрацией акцептора протона, а буферная емкость по щелочи определяется концентрацией донора протона Буферная емкость раствора возрастает по мере увеличения концентрации его компонентов и приближения соотношения компонентов к единице. 1 ] [ протона акцептор протона] донор [ Буферная емкость максимальна при рН = рК а , при этом В К = В Щ 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. Буферные системы крови Кислотно-щелочное равновесие в крови поддерживается совместным участием буферных систем плазмы и клеток крови, главным образом эритроцитов. Различают следующие буферные системы крови плазменные (гидрокарбонатная(35), фосфатная, органических фосфатов и белковая) и эритроцитарная (гемоглобиновая(35), гидрокарбонатная(18), фосфатная. Главным буфером плазмы крови является гидрокарбонатная буферная система относительный вклад 35%). Главным буфером эритроцитов является гемоглобиновая буферная система относительный вклад 35%). Гидрокарбонатная буферная система Компоненты донор протона – угольная кислота Н 2 СО 3 акцептор протона – гидрокарбонат ион НСО 3 – В организме угольная кислота возникает в результате гидратации диоксида углерода – продукта окисления углеводов, белков и жиров. Причем процесс этот ускоряется под действием фермента карбоангидразы. СОН О ⇄ СО 2 ·Н 2 О ⇄ Н 2 СО 3 Отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [Н 2 СО 3 ] / [НСО 3 – ] = 1 / 20. Механизм действия см. выше. Восстановление соотношения компонентов достигается в течение 10-18 часов за счет изменения объема легочной вентиляции. В к = б.р. V pH ты к ( V ты к z 1 ( с ) ) В щ = б.р. V pH ( V z 1 ( с ) ) щелочи щелочи Главное назначение гидрокарбонатной системы заключается в нейтрализации кислот. Этот буфер является системой быстрого реагирования, т.к. продукт его взаимодействия с кислотами - углекислый газ – быстро выводится через легкие. Гидрокарбонатный буфер определяет в крови кислотно-щелочное равновесие (КЩР) и является щелочным резервом крови (ЩР). Щелочной резерв крови – показатель функциональных возможностей буферных систем крови, те. способность крови связывать СО 2 Гидрокарбонатный буфер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости ив почечной ткани. pH = 7,4; к 40 ммоль/л, щ = 1 –2 ммоль/л Гидрофосфатная буферная система Компоненты Н 2 РО 4 – / НРО 4 2– Роль донора протона в этой системе играет ион Н 2 РО 4 – , а акцептора протона – ион НРО 4 2– . В норме отношение Н 2 РО 4 – / НРО 4 2– = 1 / 4. Механизм см. выше. Избыточное количество дигидрофосфат и гидрофосфат ионов выводится почками. Полное восстановление соотношения компонентов происходит только через 2-3 суток. Гидрофосфатный буфер в крови находится в тесной связи с бикарбонатной буферной системой. Буферная емкость по кислоте также больше буферной емкости по щелочи. pH = 7,4; к = 1-2 ммоль/л, щ = 0,5 ммоль/л Гемоглобиновая и оксигемоглобиновая буферные системы Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано сего ролью в транспорте кислорода от тканей к легким. Системы гемоглобина и оксигемоглобина являются взаимопревращающимися системами и существуют как единое целое. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами крови. В эритроцитах она тесно связана с гидрокарбонатной системой. Компоненты Н Ни НО НОВ эритроцитах рН поддерживается постоянным благодаря действию трех буферных систем Сила этих кислот и оснований изменяется следующим образом HHb < H 2 CO 3 < HHbO 2 Hb – > HCO 3 – > При добавлении кислот H + + Hb – При добавлении оснований OH – + HHbO 2 HbO 2 – + H 2 O Перенос протона происходит по схеме В капиллярах тканей Кислород отдают тканям оксигемоглобиновая кислота и его сопряженное основание ( оксигемоглобинат-ион). HHbO 2 O 2 + HHb - - HbO 2 O 2 + Hb - - Hb + H 2 CO 3 HHb + HCO 3 O K C.K. В результате метаболизма накапливаются углекислый газ и вода, образуя угольную кислоту, которая взаимодействует с сильным основанием с образованием слабой кислоты HHb и основания средней силы НСО 3 – HHb и НСО 3 – диффундируют через оболочку эритроцитов в плазму и поступают стоком крови в легкие. В капиллярах легких слабая кислота HHb связывает О, образуется сильная кислота HHbO 2 , HHb + которая частично взаимодействует с основанием с образованием Н 2 СО 3 , а частично вместе с сопряженным основанием возвращается стоком крови в ткани. Образовавшаяся Н 2 СО 3 разлагается под действием фермента карбоангидразы на воду и углекислый газ, Н 2 СО 3 фермент Н 2 О + СО 2 которые выводятся через легкие. Ацидоз и алкалоз При ряде патологических состояний в крови накапливаются такие большие количествакислот или оснований, что буферные системы крови, дыхательная и выделительная системы уже не могут поддерживать рН на постоянном уровне. К примеру, в замкнутых помещениях часто испытывают удушье – нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько с недостатком кислорода, сколько с избытком СО. Избыток СО 2 в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО 2 в крови, а это соответственно приводит к понижению рН, тек ацидозу. В зависимости оттого, в какую сторону изменяется реакция крови, различают 2 типа нарушений КЩР. Понижение рН крови (возрастание концентрации ионов водорода) по сравнению с нормальным уровнем (рН ‹ 7,37) называется ацидозом Повышение рН крови (уменьшение концентрации ионов водорода) по сравнению с нормальным уровнем (рН ›7,43) называется алкалозом Каждый из этих двух типов подразделяется еще нанесколько разновидностей в зависимости от причины сдвига рН. Ацидоз метаболический (диабет, голодание, плохая работа почек, гипоксия мышц) и респираторный (заболевания дыхательной системы, наркотики) Коррекция 4 % раствор NaHCO 3 , V = 0.5 m ВЕ, где m – масса тела Алкалоз метаболический (рвота, высокий уровень минерало-кортикоидов – потеря Ни респираторный (усиленная вентиляция легких – эмоциональное возбуждение. Коррекция более сложна (5 % раствор аскорбиновой кислоты) HHbO 2 + HCO 3 H 2 CO 3 + HbO 2 K O C.K. C.O. - - |