CH3COOH и СH3COONa

Основными считаются буферные системы, состоящие из слабого основания и сопряженного с ним избытка кислоты, который создается солью этого основания. Примерим основной буферной системы может служить аммиачный 6уфер:

NH₄OH и NH₄CI

Буферными свойствами обладают также гидрокарбонатный буфер H₂CO₃ и NaHCO₃, фосфатный буфер Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄ или KHPO₄ и KH₂PO₄

Буферные системы в растворенном состоянии образуют буферные растворы. Буферные растворы обладают всеми свойствами буферных систем, но, в отличие от буферных систем, буферные растворы могут быть многокомпонентными, т.е. содержать в своем составе несколько буферных систем. Так, в крови человека насчитывается шесть буферных систем.

Механизм буферного действия.

Механизм буферного действия заключается в способности буферных систем поддерживать постоянство рН за счет того, что избыток протонов H⁺ или гидроксидионов ОН^-, поступающих в организм, связывается буферными компонентами в слабодиссоциирующие соединения. Рассмотрим механизм буферного действия на примере ацетатного буфера:

CH₃COOH ↔ CH₃COO^- + H⁺

CH₃COONa ↔ CH₃COO^- + Na⁺

При добавлении соляной кислоты к ацетатному буферу происходит взаимодействие соляной кислоты одним из компонентов, и частности с ацетатом натрия СН₃СООNа:

HCI + NaOH = CH₃COONa + NaCI

Т.е. избыточные протоны Н+ соляной кислоты свяжутся в слабодиссоциирующую уксусную кислоту и рН почти не изменится. Если к этой же буферной системе прибавить основание, то в реакцию вступает уксусная кислота СН₃СООН, т.е. избыточные гидроксид-ионы ОН^- сильного основания свяжутся в слабый электролит (воду) и рН почти не изменится

СН₃СООН +NaОН= СН₃СООNа+Н₂O

Способность буферных растворов сохранять свои буферные свойства зависит от константы диссоциации и концентрации буферных компонентов. Эта зависимость выражается уравнением Гендерсона-Гассельбаха. Выведем уравнение Гендерсона-Гассельбаха для кислых буферных систем на пример ацетатного буфера CH₃COOH и СH₃COONa. Из состава этой системы видно, что рН ее зависит от константы диссоциации CH₃COOH -слабого электролита СН₃СООН↔ СН₃СОО^- + H⁺. К процессу диссоциации слабой уксусной кислоты можно применить закон действующих масс и записать выражение для константы диссоциации:

Kдис=[CH₃COO^-][H⁺]/[CH³COOH]

Прологарифмируем обе части этого уравнения и умножим на (-1). В результате определим выражение для рН уксусной кислоты:

-IgKдис=- Ig [H⁺]-Ig[CH3COO^-]/[CH3COOH]

pK=pH- Ig [CH3COO^-]/[CH3COOH]

Отсюда получаем уравнение Гендерсона-Гассельбаха:

pH=lg[CH₃COO^-]/[CH₃COOH]

Чтобы найти рН буферного раствора, нужно учесть присутствие соли ацетата натрия СН₃СООNа в этом растворе. В присутствии соли СН₃СООNа диссоциация уксусной кислоты сильно подавлена (из 10 000 ее молекул диссоциирует только одна). Поэтому равновесная концентрация кислоты практически равна общему содержанию кислоты в растворе. Учитывая это, запишем:

[СНзСООН]=[кислота]

[СНзСОО^-]=[соль]

Тогда: рН= рК+Ig[соль]/[кислота]

Из уравнения видно, что рН не зависит от концентрации соли и кислоты, а зависит от соотношения концентраций соли и кислоты. Это соотношение называют буферным отношением. Буферный раствор сохраняет постоянство рН до тех пор, пока сохраняется постоянным буферное отношение. Если же буферное отношение изменить так, чтобы увеличить или уменьшить рН на единицу, то буферный раствор потеряет свою способность противодействовать изменению рН. При добавлении к буферной системе кислоты буферное отношение уменьшится, и при каком-то количестве кислоты станет равным 1/10. Тогда рН уменьшится на единицу:

рН = рК+Ig 1/10 → рН=рК-1

При добавлении щелочи буферное отношение уменьшится и как только буферное отношение станет равным десяти. рН увеличится на единицу, и буферный раствор потеряет свои свойства:

рН=рК+Ig10, Ig=10→ рН=рК+1

Интервал значений рН, в пределах которых буферный раствор противодействует изменению рН, т.е. сохраняет свои свойства, называют зоной буферного действия. Она рассчитывается по формуле: pH = рК±1.Т.о. зона буферного действия зависит от константы диссоциации слабого электролита. Для ацетатного буфера Кд=1, 75-10^-5, тогда рК=-IgКд=4, 76: зона буферного действия ацетатного буфера рН=3, 76-5, 76 (за этими пределами система, не обладает буферными свойствами). Теоретический расчет зоны буферного действия позволяет теоретически подобрать буферный раствор для исследования биологических объектов. Чтобы изменить рН буферного раствора на единицу, необходимо добавить к нему определенное количество кислоты или щелочи. Для выяснения вопроса о количестве прибавляемой кислоты или щелочи, вводят понятие буферной емкости (обозначается β).

Буферная емкость показывает, сколько моль эквивалентов кислоты или щелочи нужно прибавить к 1 литру буферного раствора, чтобы изменить рН на единицу.

Β =VC(1/ZX)/Δ pH

Где V1 -объем буферного раствора, к которому прибавляется кислота или щелочь (1 дм3).Δ рН=1. Подставив эти значения, получим формулу:

Β =VC(1/ZX)

Буферная емкость зависит от концентраций буферных компонентов и от природы. Наибольшей емкостью обладают концентрированные растворы, а с разбавлением буферная емкость уменьшается. Буферная емкость максимальна, если буферное отношение равно единице, а рН=рК.

Биологическая роль буферных систем.

Буферные системы действуют в живых организмах, поддерживая постоянство рН. Так, несмотря на то, что в течение суток вследствие обменных процессов и с пищей в организм поступает примерно 2 литра 1н (1н. соляная кислота - т.е. кислота с молярной концентрацией эквивалента кислоты, равной 1 моль дм^-3 кислоты. рН в организме практически не меняется. Буферные системы обеспечивают оптимальные условия обменных процессов, обеспечивают действие ферментов. В отличие от лабораторных буферных растворов, рН буферных систем организма регулируется не только химическим, но и физиологическим путем. Биологические буферные системы вне организма сохраняют способность регулировать свое значение рH. Это свойство используется в диагностике ряда заболеваний.

Буферные системы крови.

Кровь - это сложный раствор, содержащий несколько буферных систем. Рассмотрим буферные системы крови в порядке уменьшения их буферной емкости.

1) Гемоглобиновая буферная система HHb ↔ H⁺ +Hb^- и KHb↔ K⁺ + Hb^- - обладает самой большой величиной буферной емкости. Действует в эритроцитах крови. Ее буферная емкость (β) составляет 75% от всей буферной емкости крови.

2) Оксигемоглобиновая буферная система HhbO₂ ↔ H+ +HbO₂^- и KhbO₂↔ K⁺ + HbO₂^- - имеет такую же величину буферной емкости, как и гемоглобиновая буферная система. Оксигемоглобин, образующийся в легких при взаимодействии гемоглобина с кислородом, переносится артериальной кровью в капиллярные сосуды, откуда попадает в ткани. На освобождение кислорода из оксигемоглобина НHbО₂ влияет присутствие угольной кислоты Н₂СО₃, которая стимулирует реакцию распада НHbО₂ на гемоглобин ННb и кислород О₂. Гемоглобин НHb дальше диссоциирует на катионы водорода H⁺ и анионы Нb-, которые затем реагируют с угольной кислотой: Нb^-+Н₂СО₃=ННb+НСО₃^-. Образующиеся гидрокарбонат-ионы НСО₃^- проходят через мембраны и уносятся током крови. Обогатившаяся гемоглобином и содержащая в себе углекислый газ СО₂, венозная кровь возвращается в легкие, где происходит обогащение гемоглобина кислородом: HHb + O₂ ↔ HhbO₂ освобождающиеся при этом катионы водорода связываются с гидрокарбонат-ионами НСО₃^- с образованием угольной кислоты, которая распадается на СО2 и воду. Образующийся СО₂ удаляется в атмосферу за счет легочной вентиляций.

3)Белковая буферная система Hprot и NaProt. Буферная емкость этой системы в 10 раз меньше, чем гемоглобиновой. Действует в плазме крови. Благодаря белковой буферной системе все клетки и ткани организма обладают буферным действием.

4) Эфиры глюкозы и фосфорной кислоты различной степени замещения Г-PO₂Na₂ и Г-PO₃NaH. Она способствует сохранению постоянства рН в организме.

5) Карбонатная буферная система H₂CO₃↔ H⁺ +HO₃^- и NaHCO₃↔ Na⁺ +HCO₃^-Характеризует кислотно-щелочной резерв кропи. Действует в плазме крови и в эритроцитах. Имеет незначительную буферную емкость, но играет первостепенную роль в регуляции дыхания. В медицине кислотно-щелочное равновесие организма оценивают с помощью уравнения Гендерсона-Гассельбаха, выведенного для карбонатного буфера:

pH=pK+ Ig[HCO₃^-]/[H₂CO₃]

Опытным путем было найдено, что в крови здорового человека рК=6, 11 и рН=7, 34-7, 36 (эти две константы приведены для запоминания). Если рН крови выходит за пределы рН=7, 34-7, 36, то наступает смерть. В крови угольная кислота полностью разлагается на СО2 и воду, поэтому:

[Н₂СО₃]=[СО₂] и [NaСО₃^-]=[НСО₃^-]

Тогда рабочая формула крови человека: рН= 6, 11+Ig [НСО₃^-]/[СО₂]

Измерив рН с помощью прибора, можно рассчитать по этому уравнению величину буферного отношения [НСО₃^-]/[СО₂]. Для нормы [НСО₃^-]/[СО₂]=20/1

При задержке СО₂ в крови это отношение становится меньше, чем 20: 1. т.е. кислотно-щелочное равновесие нарушается в сторону повышения концентрации катионов водорода (повышения кислотности) и организм находится в состоянии ацидоза - это патология. Если рН< 7, 34 (крови), то ацидоз некомпенсированный (дыхание ослаблено). При рН 7, 34-7, 36 ацидоз компенсированный. Если из организма очень быстро выводится СО₂, то буферное отношение становится больше, чем 20: 1 В этом случае кислотно-основное равновесие также нарушается с развитием патологического состояния алкалоза. Если рН> 7, 36, то алкалоз компенсированный (дыхание учащено). Если рН=7, 34-7, 36. то алкалоз компенсированный. Регуляция этой буферной системы осуществляется через дыхательный центр гипоталамуса. Отклонение в сторону ацидоза или алкалоза свидетельствуют о серьезных нарушениях в организме. Особенно часто происходит сдвиг кислотно-щелочного равновесия у грудных детей, поскольку в этом возрасте органы, принимающие участие в регуляции рН (легкие и почки), либо недостаточно совершенны, либо выполняют физиологические функции с предельной нагрузкой. Так, простое голодание быстро вызывает развитие ацидоза, а даже однократная рвота может привести к алкалозу. Показатели, характеризующие кислотно-щелочное состояние в детском возрасте, мало отличаются от показателей взрослых людей. Ацидоз и алкалоз могут возникать либо в результате поступления в организм через пищевой тракт или органы дыхания избыточных количеств продуктов с повышенной кислотностью или щелочностью, либо в результате патологий организма, связанных с нарушениями обмена веществ, функций дыхания и кровообращения (напр., состояние ацидоза может возникнуть в результате кратковременной остановки сердца). Поскольку в регуляции кислотно-основного состояния крови принимают участие легкие и почки, то различают метаболический и респираторный ацидоз и алкалоз. При нормальной вентиляции легких давление СО₂ в артериальной крови составляет 4, 7-5, 3 кПа. Респираторные нарушения, кислотно-щелочного равновесия крови определяется клинически. а метаболические могут протекать бессимптомно. В этом случае необходим дополнительный лабораторный контроль.

6) Фосфатная буферная система Na₂HPO₄ и KH₂PO₄ действует в организме, присутствует внутри и вне клетки. Дополнительная регуляция создается почками. В зависимости от соотношения этих солей могут быть полнены буферные смеси с различными значениями рН (в основном от 5, 9 до 7, 8). Фосфатные буферные системы часто применяются в лабораторной практике, т.к. их значения рН соответствуют наиболее важным в физиологическом отношении значениям реакций среды организма. Фосфатный буфер имеет наибольшее значение в таких биологических жидкостях, как моча и соки пищеварительных желез. Т.о. благодаря буферному действию вышеуказанных систем рН крови в норме практически не меняется, несмотря на поступление извне значительных количеств сильных кислот и щелочей.