Буферные растворы (буферные смеси, буферы)

Буферные растворы. Буферная емкость. Механизм действия буферных растворов. Применение их в анализе. Роль буферных растворов в процессах жизнедеятельности

Буферные растворы (буферные смеси, буферы)

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Определение.

В лабораторной практике часто приходится работать с растворами, которые имеют определенное значение рН. Такие растворы называют буферными.

Буферные растворы – растворы, рН которых практически не изменяется при добавлении к ним небольших количеств кислот и оснований или при их разбавлении.

Буферные растворы могут быть четырех типов:

1. Слабая кислота и её соль. Например, ацетатный буферный раствор СН3СООН + СН3СООNа (рН=4,7).

2. Слабое основание и его соль. Например, аммиачный буферный раствор NH4OH + NH4Cl (рН=9,2).

3. Раствор двух кислых солей. Например, фосфатный буферный раствор NaH2PO4 + Na2HPO4 (рН=8). В этом случае соль играет роль слабой кислоты.

Аминокислотные и белковые буферные растворы.

Механизм действия.

Действие буферных растворов основано на том, что ионы или молекулы буфера связывают ионы Н+ или ОН- вводимых в них кислот или щелочей с образованием слабых электролитов. Например, если к ацетатному буферному раствору СН3СООН + СН3СООNа добавить соляную кислоту, то произойдет реакция:

СН3СООNа + НСl = СН3СООН + NаСl

СН3СОО- + Н+ = СН3СООН

СН3СОО- ионы, взаимодействуя с катионами Н+ соляной кислоты, образуют молекулы уксусной кислоты, в растворе не происходит накопление Н+, поэтому концентрация их практически не изменяется, а следовательно, не изменяется значение рН раствора.

При добавлении к ацетатному буферному раствору щелочи (например, NaОН) происходит реакция:

СН3СООН + NaОН = СН3СООNа + Н2О

СН3СООН + ОН- = СН3СОО- + Н2О

Катионы Н+ уксусной кислоты соединяются с ОН- ионами щелочи, образуя воду. Концентрация кислоты уменьшается. Вместо израсходованных катионов Н+, в результате диссоциации уксусной кислоты СН3СООН, вновь появляются катионы Н+ и их прежняя концентрация восстанавливается и значение рН раствора не изменяется.

Буферная емкость.

Всякий буферный раствор практически сохраняет постоянство рН лишь до прибавления определенного количества кислоты или щелочи, то есть обладает определенной буферной емкостью.

Буферная емкость – то предельное количество (моль) сильной кислоты или щелочи, которое можно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН его изменился не более чем на единицу.

Приготовление.

Буферные свойства проявляются очень слабо, если концентрация одного компонента в 10 раз и более отличается от концентрации другого. Поэтому буферные растворы часто готовят смешением растворов равной концентрации обоих компонентов либо прибавлением к раствору одного компонента соответствующего количества реагента, приводящего к образованию равной концентрации сопряженной формы.

Для приготовления аммиачной буферной смеси смешивают 100 мл раствора NH4Cl с массовой долей его 10% и 100 мл раствора NH4OH с массовой долей 10% и разбавляют полученную смесь дистиллированной водой до 1 л.

Применение.

Буферные растворы широко применяются в химическом анализе, биохимическом анализе для создания и поддержания определенного значения рН среды при проведении реакций.

Например, ионы Ва2+ отделяют от ионов Са2+ осаждением дихромат-ионами Сr2О72- в присутствии ацетатного буферного раствора; при определении многих катионов металлов с помощью трилона Б методом комплексонометрии используют аммиачный буферный раствор.

Буферные растворы обеспечивают постоянство биологических жидкостей и тканей. Главными буферными системами в организме являются гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Причем, действие всех буферных систем взаимосвязано.

Поступившие из вне или образовавшиеся в процессе обмена веществ ионы водорода связываются одним из компонентов буферных систем. Однако, при некоторых заболеваниях может происходить изменение значения рН крови.

Смещение значения рН крови в кислую область от нормальной величины рН 7,4 называется ацидозом, в щелочную область – алкалозом. Ацидоз возникает при тяжелых формах сахарного диабета, длительной физической работе и при воспалительных процессах.

При тяжелой почечной или печеночной недостаточности или при нарушении дыхания может возникнуть алкалоз.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Дата добавления: 2016-10-07; просмотров: 4670 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Источник: https://lektsii.org/7-40141.html

Буферные растворы в организме человека

Буферные растворы (буферные смеси, буферы)

Буферные растворы − это растворы, сохраняющие неизменными значения рН при разбавлении или добавлении небольшого количества сильной кислоты или основания.

Протолитические буферные растворы представляют собой смеси электролитов, содержащие одноимённые ионы.

Существует два типа протолитических буферных растворов:

  1. Кислотные, состоящие из слабой кислоты и избытка сопряженного с ней основания (соли, образованной сильным основанием и анионом этой кислоты);
  2. Основные, состоящие из слабого основания и избытка сопряженной с ним кислоты (т.е. соли, образованной сильной кислотой и катионом этого основания).

Уравнение буферной системы рассчитывается по формуле Гендерсона-Гассельбаха:

где рК = -ℓg КД.

С – молярная или эквивалентная концентрация электролита (C = V N)

Механизм действия буферных растворов можно рассмотреть на примере ацетатного буфера: СН3СООН + СН3СООNa [1].

Высокая концентрация ацетат-ионов обусловлена полной диссоциацией сильного электролита – ацетата натрия, а уксусная кислота в присутствии одноименного аниона существует в растворе практически в неионизированном виде.

1. При добавлении небольшого количества хлороводородной кислоты, ионы Н+связываются с имеющимся в растворе сопряженным основанием СН3СОО-в слабый электролит СН3СООН.

                                            CH3COO‾ + H+ ↔ CH3COOH                                                 

Из уравнения видно, что сильная кислота НС1 заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты СН3СООН. Количество СН3СООН увеличивается и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации уменьшается. В результате этого концентрация ионов Н+ в буфере увеличивается, но очень незначительно, при этом рН сохраняется постоянным.

При добавлении кислоты к буферу рН определяется по формуле:

2. При добавлении к буферу небольшого количества щелочи протекает реакция её с СН3СООН. Молекулы уксусной кислоты будут реагировать с гидроксид-ионами с образованием Н2О и СН3СОО ‾:

                                     CH3COOН + OH ‾ ↔ CH3COO‾ + H2O                                           

В результате этого щелочь заменяется эквивалентным количеством слабоосновной соли CH3COONa. Количество СН3СООН убывает и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации увеличивается за счет потенциальной кислотности оставшихся недиссоциированных молекул СН3СООН. Следовательно, концентрация ионов Н+ практически не изменяется, и рН остаётся постоянным.

При добавлении щелочи рН определяется по формуле:

3. При разбавлении буфера рН также не меняется, т.к. константа диссоциации и соотношение компонентов при этом остаются неизменными.

Таким образом, рН буфера зависит от константы диссоциации и соотношения концентрации компонентов. Чем эти величины больше, тем больше рН буфера. Стоит отметить, что рН буфера будет наибольшим при соотношении компонентов равным единице [2].

Буферная ёмкость − это способность буферной системы противодействовать изменению рН среды.

Буферная ёмкость (В) выражается количеством моль-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которое следует добавить к одному литру буфера, чтобы сместить рН на единицу.

где В – буферная ёмкость, nЭ– количество моль-эквивалента сильной кислоты или щелочи, рНН – начальное значение рН ( до добавления кислоты или щелочи), рНК– конечное значение рН (после добавления кислоты или щелочи), ΔрН – изменение рН.

На практике буферная ёмкость рассчитывается по формуле:

где V – объём кислоты или щелочи, N – эквивалентная концентрация кислоты или щелочи, Vбуф.- объём буферного раствора, Δ рН – изменение рН.

Буферная ёмкость зависит от концентрации электролитов и соотношения компонентов буфера. Наибольшей буферной ёмкостью обладают растворы с большей концентрацией компонентов и соотношением компонентов, равным единице [3].

В организме человека действуют следующие буферные системы:

  1. Бикарбонатный буфер, представляющий собой основную буферную систему плазмы крови; он является системой быстрого реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами СО2– быстро выводится через легкие. Помимо плазмы, эта буферная система содержится в эритроцитах, интерстициальной жидкости, почечной ткани.
  2. Гемоглобиновый буфер является главной буферной системой эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной ёмкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и СО2. Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль сразу в нескольких физиологических процессах: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови.
  3. Фосфатный буфер содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями К2НРО4и КН2РО4, а в плазме крови и в межклеточной жидкости Na2HPO4и NaH2PO4. Функционирует в основном в плазме и включает: дигидрофосфат ион Н2РО4-и гидрофосфат ион НРО42-.
  4. Белковый буфер состоит из белка-кислоты и его соли, образованной сильным основанием [4].

Белок – это амфотерный электролит и поэтому проявляет собственное буферное действие. Взаимодействие буферных систем в организме по стадиям:

1. В процессе газообмена в легких кислород поступает в эритроциты;

2. По мере перемещения крови в периферические отделы кровеносной системы происходит отдача кислорода ионизированной формой HbO2-. Кровь при этом из артериальной становится венозной. Отдаваемый в тканях кислород расходуется на окисление различных субстратов, в результате чего образуется СО2, большая часть которого поступает в эритроциты.

3. В эритроцитах в присутствии карбоангидразы со значительной скоростью протекает следующая реакция:

СО2+ Н2О ↔ Н2СО3↔ Н++ НСО3-

4. Образующийся избыток протонов связывается с гемоглобинат-ионами, при этом связывание протонов смещает равновесие реакции стадии (3) вправо, вследствие чего концентрация гидрокарбонат ионов возрастает и они диффундируют через мембрану в плазму.

В результате встречной диффузии ионов, отличающихся кислотно-основными свойствами (хлорид-ион протолитически неактивен; гидрокарбонат ион в условиях организма является основанием), возникает гидрокарбонатно-хлоридный сдвиг.

 Этим объясняется более кислая реакция среды в эритроцитах (рН = 7,25) по сравнению с плазмой (рН = 7,4).

5. Поступающие в плазму гидрокарбонат-ионы нейтрализуют накапливающийся там избыток протонов, возникающий в результате метаболических процессов;

6. Образовавшийся СО2 взаимодействует с компонентами белковой буферной системы;

7. Избыток протонов нейтрализуется фосфатным буфером:

Н++ НРО4-↔ Н2РО4-

8. После того как кровь вновь попадает в легкие, в ней увеличивается концентрация оксигемоглобина (стадия 1), который реагирует с гидрокарбонат-ионами, не диффундировавшими в плазму. Образующийся СО2 выводится через легкие. В результате уменьшения концентрации НСО3-ионов в этой части кровеносного русла наблюдаются их диффузия в эритроциты и диффузия хлорид-ионов в обратном направлении.

9. В почках также накапливается избыток протонов в результате реакции:

СО2+ Н2О ↔ Н2СО3↔ Н++ НСО3-,

который нейтрализуется гидрофофат-ионами и аммиаком (аммиачный буфер):

H+ + NH3↔ NH4+

Следует отметить, что на поддержание постоянства рН различных жидких систем организма оказывают влияние не столько буферные системы, сколько функционирование ряда органов и систем: легких, почек, кишечника, кожи и др. [5].

pH крови человека в среднем составляет 7,4, изменение данного значения даже на одну десятую единицы приводит к тяжелым нарушениям (ацидоза или алкалоза).

Когда водородный показатель выходит за пределы диапазона 6,8 – 7,8, это обычно ведет к гибели.

Важнейшее буферная система крови — угольная (HCO3- / H2CO3), вторая по значению — фосфатный (HPO2-4 / H2PO-4), также определенную роль в поддержании pH играют белки [6].

Источник: https://e-koncept.ru/2017/570026.htm

Буферные растворы и буферное действие

Буферные растворы (буферные смеси, буферы)

Как показывает опыт, разбавленные растворы сильных кислот и оснований, обладающие слабокислой или слабощелочной реак­цией, характеризуются непостоянством рН. Однако смесь, например, уксусной кислоты и ее соли CH3COONa обладает способностью со­хранять постоянство рН.

Можно к этой смеси добавить небольшое количество кислоты или щелочи, а также разбавить ее, но рН рас­твора при этом почти не изменится. Свойство растворов сохранять определенное значение рН называется буферным действием.

Рас­творы, обладающие буферным действием, получили название буфер­ных растворов или буферных смесей.

Буферные растворы по своему составу бывают в основном двух типов. Они могут состоять из слабой кислоты и ее гидролитически щелочной соли и слабого основания и гидролитически кислой соли этого основания.

В качестве иллюстрации можно привести следующие буферные смеси:

Последний буфер, как видим, состоит из смеси двух солей, одна из которых — однозамещенная, вторая — двухзамещенная соль фосфорной кислоты. Причем первая соль (NaH2PO4) играет роль слабой кислоты. Буферным действием могут обладать растворы, состоящие из анионов разных слабых кислот, такие, как фосфатцитратный буфер Na2НРО4 + СбН8О7.

Сущность буферного действия смеси слабой кислоты с ее солью можно рассмотреть на примере ацетатного буферного раствора. В этом растворе происходят следующие реакции электролитической диссоциации:

Поскольку степень диссоциации кислоты очень мала, в раство­ре преобладают ее недиссоциированные молекулы. Ацетат натрия, являясь сильным электролитом, диссоциирует полностью на ионы СН3СОО- и ионы Na+.

Таким образом, в ацетатной буферной сме­си присутствие в большом количестве анионов СН3СОО- смещает равновесие при диссоциации уксусной кислоты в сторону образо­вания ее молекул.

Причем диссоциация уксусной кислоты может быть настолько подавленной, что кислоту можно считать практи­чески недиссоциированной. В результате этого активная кислот­ность смеси очень мала.

Добавление кислоты или щелочи к аце­татной смеси не вызывает существенного изменения концентрации водородных ионов в растворе. Так, при добавлении соляной кисло­ты к ацетатному буферу происходит реакция обменного разложе­ния с одним из компонентов смеси (CH3COONa):

Как видим, сильная кислота в результате этой реакции заменя­ется эквивалентным количеством слабой кислоты. В соответствии с законом разбавления Оствальда увеличение концентра­ции уксусной кислоты понижает степень ее диссоциации, в резуль­тате чего концентрация ионов водорода в буферном растворе уве­личивается очень незначительно.

Так же незначительно изменяется рН буферного раствора при добавлении к нему небольшого количества щелочи. При этом ще­лочь реагирует с уксусной кислотой (реакция нейтрализации), в результате чего гидроксид-ионы связываются с ионами водорода с образованием молекул воды:

В конечном итоге этой реакции добавляемая

щелочь заменяет­ся эквивалентным количеством слабоосновной соли, которая влияет на реакцию среды в значительной меньшей степени, чем NaOH.

Поскольку в результате этой реакции уксусная кислота расходу­ется, можно было бы ожидать значительного снижения содержа­ния ионов Н+.

Однако вместо прореагировавших ионов кислоты Н+ и СН3СОО- за счет потенциальной кислотности образуются новые ионы Н+ и СН3СОО-, и активная кислотность смеси (рН) почти не изменяется.

Как показывает опыт, каждая из буферных смесей характеризу­ется определенной концентрацией водородных ионов, которую бу­ферная система стремится сохранить при добавлении к ней кис­лоты или щелочи. Рассмотрим на примере ацетатной буферной смеси, что же определяет ее рН.

В соответствии с законом действующих масс константа диссо­циации уксусной кислоты

  4.75

Это равенство справедливо для раствора, в котором содержит­ся только одна уксусная кислота. Как уже отмечалось, добавление к раствору уксусной кислоты ацетата натрия подавляет ее диссо­циацию, в результате чего концентрацию молекул недиссоциированной СН3СООН можно без больших погрешностей принять рав­ной общей концентрации кислоты, т. е.

4.76

Учитывая, что соль CH3COONa как сильный электролит в вод­ном растворе диссоциирована полностью, можно принять, что об­щая концентрация аниона СН3СОО- практически равна аналити­ческой концентрации соли в данной буферной смеси, т. е.

4.77

Подставляя значения (4.76) и (4.77) в уравнение константы диссоциации (4.75), получим

4.78

Логарифмируя это выражение и меняя знаки, запишем:

—lg[H+] = – lg K + lg[соль]—lg [кислота] или

4.79

где рК— отрицательный логарифм константы диссоциации уксус­ной кислоты.

Отметим, что уравнение (4.79) справедливо и для буферных растворов, состоящих из смеси слабого основания и гидролитиче­ски кислой соли. В этом случае уравнение будет иметь вид

4.80

где рК — отрицательный логарифм константы диссоциации слабого основания. Из приведенных уравнений следует, что рН буферного раствора зависит от величины константы диссоциации слабой кис­лоты или слабого основания, а также от соотношения концентраций компонентов буферных смесей.

Для приготовления буферных смесей с желаемым значением рН необходимо взять слабые кислоты или основания с соответствую­щими значениями констант диссоциации, а также подбирать опре­деленные соотношения компонентов.

На практике обычно пользуются готовыми таблицами, в которых указано, в каких отношениях должны быть взяты компоненты бу­ферных смесей для получения буферных растворов с желаемым значением рН.

Поскольку константа электролитической диссоциации К при данных условиях постоянна, рН буферного раствора будет зависеть только от отношения концентраций кислоты (или основания) и со­ли, взятых для приготовления буферной смеси, и не зависит от абсо­лютного значения этих концентраций. Поэтому при разбавлении бу­ферных растворов концентрация водородных ионов (рН) должна оставаться неизменной. Опыт показывает, что даже значительное раз­бавление буферных растворов в 10—20 раз и более мало отражает­ся на их рН.

Способность буферных растворов противодействовать резкому изменению рН при прибавлении к ним кислоты или щелочи являет­ся ограниченной.

Буферная смесь поддерживает рН постоянным только при условии, что количество прибавляемых к раствору силь­ной кислоты или щелочи не превышает определенной величины.

Превышение этого количества вызывает резкое изменение рН, т. е. буферное действие раствора прекращается.

Предел, в котором проявляется буферное действие, называется буферной емкостью. Буферную емкость выражают количеством ве­щества эквивалента сильной кислоты или основания, которое следу­ет добавить к 1 м3 буферного раствора, чтобы сместить рН на еди­ницу, т. е.

4.81

где В — буферная емкость, С — количество сильной кислоты или ос­нования, кмоль; рН0— водородный показатель до добавления силь­ной кислоты или основания; pH1 — водородный показатель после добавления кислоты или щелочи.

Величина буферной емкости зависит от концентрации компонен­тов буферной смеси и отношения между этими концентрациями.

Зная сущность механизма действия буферных систем, нетрудно догадаться, что наибольшей буферной емкостью обладают раство­ры, содержащие большие концентрации входящих в состав буфера компонентов, и растворы, составленные из компонентов, взятых в равных количествах.

Влияние величины соотношения компонентов буферных смесей на их емкость связано с тем, что при равных ве­личинах числителя и знаменателя величина дроби наиболее устой­чива к изменению своего числового значения.

Поэтому и величина соотношения компонентов, входящих в состав буфера, будет меньше подвержена изменениям.

Таким образом, буферные растворы обладают следующими свой­ствами:

1) концентрация водородных ионов буферных смесей мало зави­сит от разбавления;

2) добавление к буферным смесям небольших количеств (в преде­лах буферной емкости растворов) кислоты или щелочи мало изменя­ет рН;

3) величина буферной емкости зависит от концентрации компо­нентов буферной смеси и от отношения между этими компонентами.

Предыдущая13141516171819202122232425262728Следующая

Дата добавления: 2016-02-20; просмотров: 6249; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/7-14674.html

Буферный раствор

Буферные растворы (буферные смеси, буферы)

Буферный раствор (рус. Буферные раствор, англ. Buffer solution, нем. Pufferlösung f) — водный раствор, содержащий соединения, которые противостоят значительном изменении pH при добавлении небольшого количества кислоты или основания.

Общее описание

Иногда понятие «буферный раствор» используется в более широком смысле: для растворов, имеющих любой постоянный параметр (окислительно-восстановительный потенциал, активность ионов кальция и т.д.

), почти не меняется при незначительном изменении состава системы, например при концентрирования, разбавления, добавлении небольших количеств посторонних соединений.

Стабильность достигается благодаря тому, что компоненты буферной системы находятся в состоянии химического равновесия.

Буферы широко используются в химических, биологических и медицинских лабораториях для поддержания устойчивого pH среды, в которой происходят химические реакции.

Они также входят в состав большого количества промышленных товаров, таких как некоторые медицинские препараты (например забуференный аспирин), средства для ухода за кожей и волосами и тому подобное.

Буферные растворы необходимы для обеспечения гомеостаза живых организмов, например pH крови человека поддерживается на постоянном уровне, оптимальном для транспорта кислорода (около 7,4), благодаря нескольким буферным системам.

Для обеспечения устойчивого pH буфер должен содержать два соединения: одну, которая бы препятствовала уменьшению концентрации ионов H 3 O — (или упрощенно — H +), а другая — которая препятствовала ее увеличению, при этом они не должны нейтрализовать друг друга.

По используется пара слабая кислота (донор протонов) / ее сопряженная основа (акцептор протонов) в примерно одинаковых концентрациях, и значительно реже — слабое основание / сопряженная с ней кислота.

Буферные растворы часто делают на основе пар уксусная кислота / ацетат, дигидрогенфосфат / моногидрогенфосфат, угольная кислота / гидрокарбонат и др.

Механизм действия буферных систем

Пусть буферная система содержит примерно равные концентрации слабой кислоты (AH) и сопряженной с ней основания (A -), при добавлении к ней сильной кислоты, является донором ионов H +, последние связываться с основанием A -:

H 3 O + + A — → H 2 O + AH.

С другой стороны, при добавлении небольшого количества щелочи, поставляет ионы OH — в раствор, с ними взаимодействовать слабая кислота

OH — + AH → H 2 O + A -.

Эти две оборотные реакции и обеспечивают буферные свойства раствора: добавление к раствору ионов H + или OH — влечет изменение соотношения слабой кислоты и сопряженной основе и совсем незначительное смещение pH.

Достаточно распространенное заблуждение о том, что буферные растворы способны поддерживать pH на абсолютно постоянном уровне.

На самом деле это не так, добавление даже небольшого количества кислоты или щелочи к такому раствора приводит к изменению водородного показателя, но очень незначительной.

Например, если добавить к 1 л чистой воды 0,01 моль соляной кислоты, то ее pH изменится от 7,0 до 2,0, то есть на 5 единиц, с другой стороны, при добавлении такого же количества кислоты в 1 л буферного раствора, его pH может измениться всего на 0,1.

Буферная емкость и область буферирования

Способность любого буферного раствора поддерживать примерно постоянный уровень pH ограничен.

При добавлении достаточного количества кислоты или основания в буфер, его pH конце начнет стремительно падать или расти соответственно.

Количество ионов H 3 O + или OH -, которую следует добавить к буферного раствора, чтобы изменить его водородный показатель на единицу называется буферной емкостью.

Буферная емкость зависит от концентрации компонентов раствора и их соотношение. Чем больше концентрация слабой кислоты и сопряженной основы, тем больше будет буферная емкость раствора.

Стандартно используются молярные концентрации по крайней мере в 100 раз выше константу кислотной диссоциации (K a) слабой кислоты, и по крайней мере в 10 раз выше концентрацию ионов H 3 O + или OH -, которую следует нейтрализовать.

Наиболее эффективны буфера, в которых соотношение компонентов раствора максимально близкое к 1, когда же оно больше 10: 1 или менее 1:10, такие буфера совершенно не пригодны к использованию.

В случае когда [AH]: [A -] = 1: 1 pH буферного раствора равной pK a слабой кислоты, при этом буферная емкость раствора будет наиболее симметричной, то есть он может одинаково эффективно противостоять закислению и ощелачивание.

Для каждой пары слабая кислота / сопряженная основная существует так называемая область буферирования, то есть диапазон pH, в котором она может использоваться для создания эффективного буферного раствора. Область буферирования определяется как pK a слабой кислоты ± 1.

Так что для буфера с pH 5 можно использовать пару уксусная кислота / ацетат (pK a = 4,76), а для буфера с pH 9 — аммиак / аммоний (pK a = 9,25).

PH буферного раствора

pH буферного раствора при известной соотношение между количествами слабой кислоты и сопряженной основы можно определить, используя уравнения Гендерсона-Гассельбаха:

,

где pK a — константа кислотной диссоциации слабой кислоты, [AH] — ее молярная концентрация, [A -] — молярная концентрация сопряженной основы. Из приведенного уравнения можно сделать вывод, что, когда концентрация основания превышает концентрацию кислоты, то pH буферного раствора выше pK a, когда же [AH]> [A -], то наоборот — ниже.

Так что для приготовления буфера с желаемым pH можно выбрать слабую кислоту (или основу) с максимально приближенным значением pK a и рассчитать по уравнению Гендерсона-Гассельбаха соотношение кислоты и сопряженной основы, которые нужно смешать. Возможно также использовать и другие пути: например, титровать раствор слабой кислоты сильной щелочью, или ее соли сильной кислотой до нужного pH.

Изменение pH буферного раствора при добавлении сильных кислот или оснований

Чтобы вычислить, как изменится pH буферного раствора при добавлении известного количества сильной кислоты или основания, следует сначала использовать принципы стехиометрии, чтобы выяснить количество одного компонента буферного раствора при этом превратится в другой.

Предполагается, что реакция нейтрализации происходит до конца (например, если в ацетатного буфера добавить 0,1 моль гидроксида натрия, то можно считать, что количество уксусной кислоты в растворе уменьшится на 0,1 моль, а количество ацетата увеличится на такое же значение).

Полученные значения новых концентраций компонентов буфера можно подставить в уравнение Гендерсона-Гассельбаха для вычисления равновесного значения pH.

Практическое значение pH буферов

Буферные системы существуют внутри всех живых клеток, так как большинство из химических превращений, происходящих в них зависящие от pH. С этой же причине в лабораториях при исследовании свойств белков, особенно ферментов, нуклеиновых кислот и других биомолекул всегда используют pH буфера.

pH буфера широко используются во многих отраслях промышленности и в лабораторной практике. Например, один из первых этапов пивоварения — измельчение солода — должен происходить при pH от 5,0 до 5,2. С изготовлением пива связано и само открытие шкалы pH, поскольку ее изобретатель Сорен Соренсон работал исследователем на пивоварне.

Буферные системы крови человека

pH крови человека в среднем составляет 7,4, изменение этого значения даже на одну десятую единицы приводит к тяжелым нарушениям (ацидоза или алкалоза).

Когда водородный показатель выходит за пределы диапазона 6,8 ÷ 7,8, это обычно ведет к гибели.

Важнейшее буферная система крови — угольная (HCO-3 / H 2 CO 3), вторая по значению — фосфатный (HPO2-4 / H 2 PO-4), также определенную роль в поддержании pH играют белки.

PH буфера в биологических лабораториях

Значение pK a некоторых буферных агентов
Буферный агент pK a
Трис 8,3
TES 7,55
HEPES 7,55
MOPS 7,2
PIPES 6,8

В экспериментах с биохимии и молекулярной биологии первично использовались обычные буфера на основе слабых кислот и их сопряженных оснований, такие как цитратные, ацететни, фосфатные. Однако они имели ряд недостатков, таких как довольно значительное изменение pH при разведении или изменении температуры, проникновения их компонентов через клеточные мембраны и влияние на физиологические процессы. Поэтому на смену им стали применять буферы на основе других веществ, например основы трис (гидроксиметил) аминометану (сокращенно трис), цвиттер-ионной соединения MOPS и тому подобное.

Норман Гуд разработал серию буферов на основе соединений, молекулы которых могут находиться в состоянии цвиттерионив, таких как HEPES, PIPES, MES.

Гуд отбирал буферные агенты на основе таких желательных признаков как: значение pK a в диапазоне 6 ÷ 8, соответствует физиологическим значением pH, высокая растворимость в воде, нерастворимость в полярных соединениях, непроницаемость через мембраны, малое влияние на ионную силу раствора, максимальная независимость диссоциации от температуры и концентрации, стабильность, легкость в приготовлении. Также буферные агенты не должны поглощать видимый и ультрафиолетовый свет с длиной волны более 230 нм, чтобы не препятствовать стандартным методам спектрофотометрии. Ни одна из известных соединений не подходит идеально под все описанные признаки, однако имеющийся выбор буферных агентов позволяет выбрать нужный для каждой конкретной задачи.

Другие типы буферных систем

В химическом анализе применяют и другие буферные системы: окислительно-восстановительные буферные растворы для образования и сохранения окислительно-восстановительного потенциала, например, на основе смеси солей Fe (II) и Fe (III); кальциевый буферный раствор для образования и сохранения активности катионов кальция, например на основе смеси эквимолярной количества дигликоляту натрия и кальция или натриевой и кальциевой солей нитрилацетатнои кислоты. В ионометрии широко используются буферные растворы для образования общей ионной силы раствора (БРЗИС).

Буферный раствор постоянной ионной силы

Буферный раствор с высокой ионной силой, которая прилагается к аналiзованого и калиброванного растворов с целью обеспечения в них одинаковой ионной силы при равной активности йонiв Н + в этих растворах.

Источник: https://info-farm.ru/alphabet_index/b/bufernyjj-rastvor.html

ПОИСК

Буферные растворы (буферные смеси, буферы)

Таблица 33. Универсальная буферная смесь

    V. Универсальная буферная смесь Бриттона  [c.284]

    Универсальная буферная смесь [c.173]

    Универсальная буферная смесь  [c.242]

    Универсальная буферная смесь предложена также в работе [22]. Она состоит из карбоната натрия, дигидрофосфата натрия, лимонной кислоты и 2-ами-но-2-метил-1,3 пропандиола. [c.115]

    УНИВЕРСАЛЬНАЯ БУФЕРНАЯ СМЕСЬ [c.684]

    Проводят калибровку ЭДС цепи, заполняя рабочий сосуд последовательно стандартными растворами с известными рНц. Следует обратить особое внимание на необходимость тщательной промывки мембраны водой и рабочим раствором перед каждым измерением.

Стандартные растворы выбирают так, чтобы охватить весь предполагаемый интервал определения pH. Задают изменение рН при переходе от одного стандартного раствора к другому на 1 —1,5 единиц pH. Для приготовления калибровочных растворов может быть использована, например, универсальная буферная смесь Бриттона (см.

Приложение V). Результаты записывают в таблицу  [c.133]

    На практике удобнее пользоваться концентрационной цепью с двумя водородными электродами в буферных растворах с постоянной ионной силой. Для этих целей может быть взята универсальная буферная смесь Бриттона (табл. 11 приложения). Э. д. с. цепи [c.136]

    Универсальная буферная смесь, pH=8,2, 10-кратная концентрация [220]. Формальдегид х. ч., 30—40%-й раствор. [c.145]

    Универсальная буферная смесь, с 1 М раствором КС1. [c.146]

    Очевидно, что изменение концентрации ионов Н в полярографируе-мом растворе или даже в приэлектродном пространстве оказывает существенное влияние на ток восстановления органического соединения, а в некоторых случаях вообще изменяет механизм восстановления и приводит к появлению новых полярографических волн.

Поэтому практически все методики полярографического анализа органических соединений выполняются в буферных растворах высокой ёмкости.

Наиболее часто в качестве буферного фона при анализе органических соединений используют универсальную буферную смесь, позволяющую варьировать pH в широких пределах, для узких пределов pH возможно использование ацетатного, аммиачного, боратного буфера. [c.316]

Таблица 31. Универсальная буферная смесь………

    Полярографическое исследование проводили па полярографе ()М-И)5 (ВНР) с ртутным капающим и насыщенным каломельным электродами в ячейке, термостатированной при температуре 25 0,1°С. Пробу изучаемого продукта вводили в ячейку в предварительно продутый фон. В качестве фона использовали универсальную буферную смесь Бриттона-Робинсона (УБС). Кислород из раствора удаляли продуванием аргона. [c.39]

    Всякая буферная система применима вообще в ограниченной области, не превышающей 2 единиц pH, однако, приготовив смесь таких кислот и кислых солей, значения рй которых отличаются друг от друга на 2 единицы или меньше, можно получить также универсальную буферную смесь. Путем добавления к ней заранее определенного количества щелочи [c.548]

    Универсальная буферная смесь с рН=8,2, десятикратная концентрация. Приготовляется по способу, описанному Лурье ( Справочник по аналитической химии , Госхимиздат, 1962, стр. 174). [c.109]

    Универсальная буферная смесь [220] с Ш раствором КС1. [c.111]

    Фон — универсальная буферная смесь Бриттона-Робинсона + водный раствор этилового спирта а — 20% раствор этилового спирта б — 50% раствор этилового спирта. [c.83]

    В качестве электролита фона при анализе продуктов нитрозирования применялась универсальная буферная смесь Бриттона-Робинсона с рН=8.

В этом случае определенный объем раствора электролита фона (15—20 мл) заливался в полярографическую ячейку и через раствор продувался аргон до полного удаления кислорода.

После этого в токе аргона к раствору добавлялся анализируемый образец [c.20]

    Работа 8. Лабораторный рН-метр ЛП-58, к нему каломельный электрод (насыш,енный), платиновый или стеклянный электрод. Бюретки — две на 25 мл. Пробирки, Стакан на 25 мл.

Индикаторы метиловый оранжевый, фенолфталеин, лакмус, метиловый красный, фенолрот, универсальный. Растворы буферная смесь для стеклянного электрода (0,1 и. СН3СООН — 720 мл л и 0,1 н.

Ha OONa — 280 мл л), NH4 I —50 г/л. [c.177]

    Зависимость буферной емкости от соотношения компонентов. В колбочке приготовляют буферную смесь из 3,7 мл 0,1 М ЫаНаРО и 6,3 мл 0,06 М ЫагНРО , прибавляют 1—2 капли универсального индикатора и при помощи цветной таблицы индикаторов определяют значение pH приготовленной буферной смеси. Затем титруют буферный раствор 0,1 н.

раствором едкого натра до окраски, соответствующей значению pH на единицу больше исходной величины и записывают количество миллилитров, затраченное на титрование. Точно так же приготовляют другую буферную смесь, состоящую из 5,6 Л1Л 0,1 М. ЫаН2 04 и 4,4 мл 0,06 М. Ма, НРО , прибавляют 1—2 капли универсального индикатора и, как в пер- [c.

222]

    Опыт 2. Точно так же приготовляют другую буферную смесь из 3 Л Л 0,1 н. раствора СН3СООН и 7 >ил 0,1 н. раствора Hg OONa. К смеси прибавляют три капли универсального индикатора и, как в первом случае, титруют тем же раствором NaOH до едва заметного изменения окраски. Записывают количество миллилитров щелочи, затраченных на титрование. [c.115]

    Уксусно-ацетатные буферные растворы с pH 4 5 6 или универсальная буферная смесь фосфорной, уксусной и борной кислот с добавлением NaOH до pH 2 3 5 7  [c.123]

    Первые предложили составлять буферную смесь из трех кислот— фосфорной, фенилуксусной и борной.

Кривые титрования пяти кислотных групп перекрывают друг друга таким образом, что при добавлении сильной щелочи pH изменяется приблизительной линейно в пределах 2—12 ед. Универсальная буферная смесь Бриттона — Робинсона также имеет интервал изменения pH 2—12.

Эта смесь содержит четыре компонента с концентрацией каждого 0,02857 М диэтилбарбитуровая, лимонная, борная кислоты и КН2РО4.

Здесь имеется семь кислотных групп и нейтрализация их сильной щелочью обеспечивает строго линейное соотношение между pH и объемом добавляемой щелочи в диапазоне pH 4—8,4. Бриттон и Вильфорд [23] сняли кривые нейтрализации для этой смеси при семи температурах в интервале от 12,5 до 9ГС. [c.116]

Рис. 3. Полярограммы 2-метил-2-нитратопентановой кислоты (3, 4 5) и продукта нитрозирования 2-метил-пентеиа-1 (1, 2). Фон I—универсальная буферная смесь Бриттона-Робинсона, рН>- 11 2, 5 —то же, рН=8 3 — то же, рН=2 4—0,01N НСИ-0.ШКГ.1

    Результаты количественного определения 2-метил-2-нитратопентановой кислоты (I) в продуктах нитро шрования 2-метил-пентена-1 полярографическим методом фон—универсальная буферная смесь, рН== Н,0 (п = 3) [c.19]

    Фон 20%-ный водный раствор этилового спирта -1- универсальная буферная смесь Бриттона-Робинсона Концентрация 2,4-динитрозосоединения 0,005 моль/л  [c.58]

    В полярографии органических соединений важное значение имеет буферный фон, так как в электродной реакции восстановления или окисления органических соединений обычно участвуют ионы водорода.

Сама по себе буферная смесь обладает достаточной электропроводностью, чтобы служить полярографическим фоном, но иногда для улучшения формы волны к буферному фону добавляют индифферентный электролит— 0,5—1 мол/л хлористого калия или другую соль. Для работы в широком интервале pH очень удобно пользоваться универсальной буферной смесью Бриттона-Робинсона.

Исходный раствор приготовляют с десятикратной (по сравнению с табличной) концентрацией компонентов, чтобы можно было разбавить его в 10 раз другими составными частями полярографируемого раствора. Приготовление ис- [c.41]

    В слабокислой среде (pH = 4 7). К 3—5 каплям раствора соли железа(III) прибавляют равный объем насыщенного раствора ацетата натрия.

При этом образуется буферная смесь, значение pH должно быть 4-f5 по универсальному индикатору. Гидроксид железа при этом не выпадает вследствие образования ацетатного комплекса железа(III).

Затем прибавляют 2—3 капли реактива, появляется красно-бурая окраска дисалицила-та железа (III). [c.179]

    Зависимость потенциала полуволны (Ет ) 2-метил-2-нитратопентаповой кислоты от pH фон — универсальная буферная смесь Бриттона-Робинсона [c.18]

    Результаты количественного определения 2-метил-2-нитратопентаиовой кислоты (I) в продуктах нитрозирования 2-метил-пентена-1 полярографическим методом фон—универсальная буферная смесь, pH —8,0 (ге=3) [c.19]

Источник: https://www.chem21.info/info/602938/

Буферные растворы. Классификация буферных растворов. Механизм их действия

Буферные растворы (буферные смеси, буферы)

Одним из основных свойств живых организмов является поддержание кислотно-основного гомеостаза на определенном уровне. Протолитический гомеостаз – постоянство рН биологических жидкостей, тканей и органов.

Это находит выражение в достаточно постоянных значениях рН биологических сред (крови, слюны, желудочного сока и т.д.) и способности организма восстанавливать нормальные значения рН при воздействии протолитов.

Система, поддерживающая протолитический гомеостаз, включает в себя не только физиологические механизмы (легочную и почечную компенсацию), но и физико-химические: буферное действие, ионный обмен и диффузию.

Обеспечение постоянства рН крови и других органов и тканей является одним из важнейших условий нормального существования организма. Это обеспечение достигается наличием в организме многочисленных регулирующих систем, важнейшими из которых являются буферные системы. Последние играют основную роль в поддержании КОР в организме.

Кроме того, материал данной темы необходим для изучения последующих тем предмета (потенциометрия, свойства растворов ВМС и т.д.) и таких дисциплин как биохимия, микробиология, гистология, гигиена, физиология, в практической деятельности врача при оценке типа и тяжести нарушений КОР.

Буферными растворами называются растворы, сохраняющие неизменными значения рН при разбавлении или добавлении небольшого количества сильной кислоты или основания. Протолитические буферные растворы представляют смеси электролитов, содержащие одноимённые ионы.

Различают в основном протолитические буферные растворы двух типов:

– Кислотные т.е. состоящие из слабой кислоты и избытка сопряженного с ней основания (соли, образованной сильным основанием и анионом этой кислоты). Например: СН3СООН и СН3СООNa – ацетатный буфер

СН3СООН + Н2О ↔ Н3О+ + СН3СОО- избыток сопряженного

кислота основания

СН3СООNa → Na+ + CH3COO-

– Основные, т.е. состоящие из слабого основания и избытка сопряженной с ним кислоты (т.е. соли, образованной сильной кислотой и катионом этого основания). Например: NH4OH и NH4Cl – аммиачный буфер.

NH3 + H2O ↔ OH- + NH4+ избыток сопряженной

основание кислоты

NH4Cl → Cl- + NH4+

Уравнение буферной системы рассчитывается по формуле Гендерсона-Гассельбаха:

рН = рК + lg , pOH = pK + lg ,

где рК = -lg КД.

С – молярная или эквивалентная концентрация электролита (C = V N)

Механизм действия буферных растворов

Рассмотрим его на примере ацетатного буфера: СН3СООН + СН3СООNa

Высокая концентрация ацетат-ионов обусловлена полной диссоциацией сильного электролита – ацетата натрия, а уксусная кислота в присутствии одноименного аниона существует в растворе практически в неионизированном виде.

1. При добавлении небольшого количества хлороводородной кислоты, ионы Н+ связываются с имеющимся в растворе сопряженным основанием СН3СОО- в слабый электролит СН3СООН.

CH3COO‾ +H + ↔ CH3COOH (1)

Из уравнения (1) видно, что сильная кислота НС1 заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты СН3СООН. Количество СН3СООН увеличивается и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации уменьшается. В результате этого концентрация ионов Н+ в буфере увеличивается, но очень незначительно. рН сохраняется постоянным.

При добавлении кислоты к буферу рН определяется по формуле:

рН = рК + lg

2. При добавлении к буферу небольшого количества щелочи протекает реакция её с СН3СООН. Молекулы уксусной кислоты будут реагировать с гидроксид-ионами с образованием Н2О и СН3СОО ‾:

CH3COOН + OH ‾ ↔ CH3COO‾ + H2O (2)

В результате этого щелочь заменяется эквивалентным количеством слабоосновной соли CH3COONa. Количество СН3СООН убывает и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации увеличивается за счет потенциальной кислотности оставшихся недиссоциированных молекул СН3СООН. Следовательно, концентрация ионов Н+ практически не изменяется. рН остаётся постоянным.

При добавлении щелочи рН определяется по формуле:

рН = рК + lg

3. При разбавлении буфера рН также не меняется, т.к. константа диссоциации и соотношение компонентов при этом остаются неизменными.

Таким образом, рН буфера зависит от: константы диссоциации и соотношения концентрации компонентов. Чем эти величины больше, тем больше рН буфера. рН буфера будет наибольшим при соотношении компонентов равным единице.

Для количественной характеристики буфера вводится понятие буферной ёмкости.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/7_43314_bufernie-rastvori-klassifikatsiya-bufernih-rastvorov-mehanizm-ih-deystviya.html

МедЗабота
Добавить комментарий