Лекція - Питання

Буферними називають розчини, рН яких практично змінюється від додавання до них невеликих кількостей сильної кислоти або лугу, а також при розведенні. Найпростіший буферний розчин – це суміш слабкої кислоти та солі, що має з цією кислотою загальний аніон (наприклад, суміш оцтової кислоти СН3СООН та ацетату натрію СН3СООNa), або суміш слабкої основи та солі, що має з цією основою загальний катіон (наприклад, суміш гідроксиду амонію NH4OH з хлоридом амонію (NH4Cl).

З погляду протонної теорії буферна дія розчинів обумовлена наявністю кислотно-основної рівноваги загального типу:

Воснова + Н+ ¢ ВН+сполучена кислота

НАкислота ¢ Н+ + А-сполучена основа

Сполучені кислотно-основні пари В/ВН+ та А-/НА називають буферними системами.

Буферні розчини відіграють велику роль у життєдіяльності. До виняткових властивостей живих організмів належить їх здатність підтримувати сталість рН біологічних рідин, тканин і органів - кислотно-основний гомеостаз. Ця сталість обумовлена наявністю кількох буферних систем, що входять до складу цих тканин.

Класифікація кислотно-основних буферних систем. Буферні системи можуть бути чотирьох типів:

1. Слабка кислота та її аніон А-/НА:

ацетатна буферна система СН3СОО-/СН3СООН у розчині СН3СООNa та СН3СООН, область дії рН 3, 8 – 5, 8.
Водень-карбонатна система НСО3-/Н2СО3 в розчині NaНСО3 і Н2СО3, сфера її дії - рН 5, 4 - 7, 4.

2. Слабка основа та її катіон В/ВН+:

аміачна буферна система NH3/NH4+у розчині NH3 та NH4Cl,

сфера її дії – рН 8, 2 – 10, 2.

3. Аніони кислої та середньої солі або двох кислих солей:

карбонатна буферна система СО32-/НСО3-в розчині Na2CO3 та NaHCO3, область її дії рН 9, 3 – 11, 3.
фосфатна буферна система НРО42-/Н2РО4- в розчині Nа2НРО4 та NаН2РО4, область її дії рН 6, 2 - 8, 2.

Ці сольові буферні системи можна віднести до 1-го типу, тому що одна із солей цих буферних систем виконує функцію слабкої кислоти. Так, у фосфатній буферній системі аніон Н2РО4 є слабкою кислотою.

рН = рКа + lg с (сіль)

рН = 14 - рКв - lgс (сіль)

1. рН буферних розчинів залежить від негативної дії логарифму константи дисоціації слабкої кислоти рКа або основи рКв і від відношення концентрацій компонентів КО-пари, але практично не залежить від розведення розчину водою.

Слід зазначити, що сталість рН добре виконується за малих концентраціях буферних розчинів. При концентраціях компонентів вище 0,1 моль/л необхідно враховувати коефіцієнти активності іонів системи.

2. Значення рКа будь-якої кислоти та рКв будь-якої основи можна обчислити за виміряним рН розчином, якщо відомі молярні концентрації компонентів.

Крім того, рівняння Гендерсона-Гассельбаха дозволяє розрахувати рН буферного розчину, якщо відомі значення рК і молярні концентрації компонентів.

3. Рівняння Гендерсона-Гассельбаха можна використовувати і для того, щоб дізнатися, в якому співвідношенні потрібно взяти компоненти буферної суміші, щоб приготувати розчин із заданим рН.

Здатність буферного розчину зберігати рН у міру збільшення сильної кислоти або приблизно на постійному рівні далеко небезмежна і обмежена величиною такзваної буферної ємності Ст. За одиницю буферної ємності зазвичай приймають ємність такого буферного розчину, для зміни рН якого на одиницю потрібно введення сильної кислоти або лугу в кількості 1 моль еквівалента на 1л розчину. Т. е. це величина, що характеризує здатність буферного розчину протидіяти зміщенню реакції середовища при додаванні сильних кислот або сильних основ. В = N

Буферна ємність, як випливає з її визначення, залежить від ряду факторів:

1. Чим більше кількості компонентів кислотно-основної пари основа/сполучена кислота в розчині, тим вище буферна ємність цього розчину (наслідком закону еквівалентів).

2. Буферна ємність залежить від співвідношення концентрацій компонентів буферного розчину, а отже, і від рН буферного розчину.

При рН = рКа відношення з (сіль)/с (кислота) = 1, тобто в розчині є однакова кількість солі та кислоти. При такому співвідношенні концентрацій рН розчину змінюється меншою мірою, ніж при інших, і, отже, буферна ємність максимальна при рівних концентраціях компонентів буферної системи і зменшується з відхиленням від цього співвідношення. Буферна ємність розчину зростає зі збільшенням концентрації його компонентів і наближення співвідношення [HAn]/ [KtAn] або [KtOH]/ [KtAn] до одиниці.

Робоча ділянка буферної системи, тобто здатність протидіяти зміні рН при додаванні кислот і лугів, має довжину приблизно одну одиницю рН з кожної сторони від рН = рКа. Поза цим інтервалом буферна ємність швидко падає до 0. Інтервал рН = рКа ± 1 називається зоною буферної дії.

Загальна буферна ємність артеріальної крові сягає 25, 3 ммоль/л; у венозної крові вона дещо нижча і зазвичай не перевищує24, 3 ммоль/л.

Кислотно-лужна рівновага та головні буферні системи в організмі людини

Організм людини має тонкі механізми координації тих, що відбуваються в нефізіологічних і біохімічних процесів і підтримки сталості внутрішнього середовища (оптимальних значень рН і рівнів вмісту різних речовин в рідинах організму, температури, кров'яного тиску і т. д.). Ця координація названа, на пропозицію В. Кеннона (1929), гомеостазисом (від грецьк. «гомео» – подібний; «стаза» – сталість, стан). Вона здійснюється шляхом гуморальної регуляції (від латів. «гумор» – рідина), тобто через кров, тканинну рідину, лімфу тощо за допомогою біологічно активних речовин (ферментів, гормонів та ін.) за участю нервових регулюючих механізмів . Гуморальні та нервові компоненти тісно взаємопов'язані між собою, утворюючи єдиний комплекс нейро-гуморальної регуляції. Прикладом гомеостазису є прагнення організму до збереження сталості температури, ентропії, енергії Гіббса, вмісту в крові та міжтканинних рідинах різних катіонів, аніонів, розчинених газів та ін., величини осмотичного тиску та прагнення підтримувати для кожної з його рідин певну оптимальну концентрацію іонів водню. Збереження сталості кислотності рідких середовищ має для життєдіяльності людського організму першорядне значення, тому що, по-перше, іони Н+ надають каталітичну дію на багато біохімічних перетворень; по-друге, ферменти та гормони виявляють біологічну активність тільки в строго певному інтервалі значень рН; по-третє, навіть невеликі зміни концентрації іонів водню в крові та міжтканинних рідинах відчутно впливають на величину осмотичного тиску в цих рідинах.

Нерідко відхилення рН кровівід нормального для неї значення 7,36 лише на кілька сотих призводять до неприємних наслідків. При відхиленнях порядку 0,3 одиниці в той чи інший бік може наступити важкий коматозний стан, а відхилення порядку 0,4 одиниці можуть призвести навіть до смертельного результату. Втім, у деяких випадках, при ослабленому імунітеті, для цього виявляється достатнім і відхилення 0,1 одиниці рН.

Особливо велике значення буферних систем мають у підтримці кислотно-основної рівноваги організму. Внутрішньоклітинні та позаклітинні рідини всіх живих організмів, як правило, характеризуються постійним значенням рН, яке підтримується за допомогою різних буферних систем. Значення рН переважно внутрішньоклітинних рідин знаходиться в інтервалі від 6,8 до 7,8.

Кислотно-основна рівновага в крові людини забезпечується водородкарбонатною, фосфатною та білковою буферними системами.

Нормальне значення рН плазми становить 7,40 ± 0,05. Цьому відповідає інтервал значень активної кислотності а (Н+) від 3,7 до 4,0 10-8 моль/л. Так як у крові присутні різні електроліти - НСО3-, Н2СО3, НРО42-, Н2РО4-, білки, амінокислоти, це означає, що вони дисоціюють настільки, щоб активність а (Н +) знаходилася в зазначеному інтервалі.

У замкнутих приміщеннях часто відчувають задуху – нестачу кисню, почастішання дихання. Однак ядуха пов'язана не стільки з недоліком кисню, скільки з надлишком СО2. Надлишок СО2 в атмосфері призводить до додаткового розчинення СО2 у крові (згідно із законом Генрі), а це призводить до зниження рН крові, тобто до ацидозу (зменшення резервної лужності).