Учебное пособие: Общая химия методичка

106 

СН

3

СОО

-

  + Na

+

 + Н

2

О → СН

3

СООН  + Na

+

 + ОН

-

Соли,  образованные  слабым  основанием  и  сильной  кислотой,  под-

вергаясь  гидролизу  по  катиону,  смешает  равновесие  диссоциации  воды  в 

сторону образования протонов.  

Например: NН

4

+

 + Сl

-

 + Н

2

О → NН

4

ОН  + H

+

 + Cl

-

Буферные  системы  (БС)  –  водные  растворы,  препятствующие  из-

менению рН при добавлении небольших количеств сильных кислот, осно-

ваний, а также при разбавлении  и концентрировании.  

Состав любой БС включает в себя 2 компонента в следующих вари-

антах:  

а) слабая кислота и еѐ соль, образованная сильным основанием; 

б) слабое основание и его соль, образованная сильной кислотой.  

Пример БС первого типа – ацетатный буфер:   

СН

3

СООН/СН

3

СОО

-

+Na

+

где  СН

3

СООН  –  слабая  кислота,  а    СН

3

СОО

-

+Na

+

  -  соль,  образованная 

сильным основанием (NaOH).  

Пример БС второго типа – аммиачный буфер:   

     NH

4

OH/NH

4

+

 + Cl

-

где NH

4

OH  –  слабое  основание, NH

4

+

  +  Cl

-

  -  его  соль, образованная  силь-

ной кислотой (HCl).  

Важнейшим  компонентом  БС  является  именно  слабый  электролит. 

Он обеспечивает резервную кислотность или основность.  

Классификация кислотно-основных буферных систем: 

Буферные системы могут быть четырех типов: 

1. Слабая кислота и ее анион А

-

 /НА: 

ацетатная буферная система СН

3

СОО

-

/СН

3

СООН в растворе СН

3

СООNa и 

СН

3

СООН, область действия рН = 3,8-5,8. 

Водород-карбонатная  система НСО

3

-

/Н

2

СО

3

 в  растворе  NaНСО

3

 и 

Н

2

СО

3

, область еѐ действия – рН = 5,4-7,4. 

2. Слабое основание и его катион В/ВН

+

: 

107 

аммиачная буферная система NH

3

/NH

4

+

 в растворе NH

3

 и NH

4

Cl, 

область ее действия – рН = 8,2-10, 2. 

3. Анионы кислой и средней соли или двух кислых солей: 

карбонатная  буферная  система СО

3

2-

/НСО

3

-

 в  растворе  Na

2

CO

3

 и 

NaHCO

3

, область ее действия рН = 9,3-11,3. 

фосфатная  буферная  система НРО

4

2-

/Н

2

РО

4

-

 в  растворе  Nа

2

НРО

4

 и 

NаН

2

РО

4

, 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 Н

2

РО

4

-

 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 прояв-

лять буферное действие, когда к ним добавляют некоторое количество ки-

слоты или щелочи. Тогда часть белка (аминокислоты) переходит из ИЭС в 

форму «белок-кислота» или соответственно в форму «белок-основание».  

4.7.  Зона  буферного  действия  и  буферная  емкость.  Расчет  рН 

протолитических систем 

Реакция среды в растворе конкретной БС зависит от двух факторов: 

К

дисс 

слабого  электролита  и  соотношения  компонентов.  Значение  рН  БС 

может быть рассчитано по уравнению Гендерсона-Гассельбаха: 

где рКа  – показатель кислотности слабой кислоты (справочная, кон-

стантная величина, например, для уксусной кислоты он равен +4,76), [A

-

] – 

концентрация соли [HA] – концентрация слабой кислоты. Используя урав-

нение Гендерсона-Гассельбаха можно приготовить буфер с заданным зна-

108 

чением рН.  

Способность буфера к сохранению рН не беспредельна, она опреде-

ляется  концентрацией  компонентов  и  их  соотношением.  Количественно 

эта способность характеризуется величиной буферной ѐмкости. 

Буферная ѐмкость – это количество молей любой сильной кислоты 

или  щѐлочи, которое  необходимо  добавить  к  1  л  буферного  раствора для 

смещения  его рН  на  1.  Буферная  ѐмкость  тем  выше,  чем больше  концен-

трация компонентов и чем ближе их соотношение к единице.   

         Буферная емкость (В) измеряется количеством моль или ммоль экви-

валента  кислоты  или  щелочи,  добавление  которого  к  1  л  буферного  рас-

твора изменяет рН на единицу. 

         В=C×V/∆pH×Vбуф, 

где     В - буферная емкость, 

         С - концентрация кислоты или основания, 

         V - объем данного электролита, 

         Vбуф – объем буферного раствора , 

         ∆pH – изменение рН. 

    Буферная емкость зависит от ряда факторов: 

1.     Чем  выше  концентрации  компонентов  буферного  раствора,  тем 

больше его буферная емкость. 

2.     Буферная  емкость  зависит  от  отношения  концентраций  компо-

нентов, а, следовательно, и от рН буфера. При рН=рКа буферная емкость 

максимальна. 

3.     Установлено,  что  достаточное  буферное  действие  наблюдается, 

если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию дру-

гого не более, чем в 10 раз. 

Интервал рН=рКа±1 называется зоной буферного действия. 

4.     При разбавлении буферного раствора величина буферной емко-

сти уменьшается вследствие снижения концентрации компонентов раство-

ра. 

109 

        Табл. 4.2 

Буферная ѐмкость систем организма 

№  Буферные системы организма 

Буферная емкость, моль/л 

Вк 

Вщ 

1 

Гидрокарбонатная 

40 

2 

2 

Белковая 

10 

- 

3 

Фосфатная 

2 

0,5 

         Как  следует  из  данных  Таб.  4.2,  буферная  емкость  по  кислоте  у  бу-

ферных систем организма выше, чем буферная емкость по основанию. Это 

связано с особенностями метаболизма человеческого организма, образую-

щего значительно больше кислотных продуктов, чем основных. 

4.8. Механизм действия буферных систем 

Механизм  буферного  действия  рассмотрим  на  примере  ацетатной 

БС: СН

3

СООН/СН

3

СОО

-

 +Na

+

, 

где СН

3

СООН – слабая кислота, а СН

3

СОО

-

+Na

+

 - соль, образованная 

сильным основанием (NaOH).  

При добавлении: 

а) сильной кислоты (избытка протонов) ацетат-анион связывает этот 

избыток протонов (т.е. проявляет свойства основания) с образованием эк-

вивалентного количества слабой уксусной кислоты:            

СН

3

СОО

-

 + Н

+ 

↔ СН

3

СООН                           

         Несмотря  на  увеличение  общей  кислотности,  активная  кислотность 

вырастет  мало,  так  как  оно  произошло  за  счѐт  увеличения  концентрации 

слабой кислоты, степень диссоциации которой понизится согласно закону 

Оствальда. 

б) сильного основания (щѐлочи, избытка ОН

-

-анионов) она нейтрали-

110 

зуется за счѐт резервной кислотности: 

СН

3

СООН + ОН

-

 ↔ СН

3

СОО

-

 + Н

2

О. 

Активная  кислотность  при  этом  изменяется  незначительно,  так  как 

согласно  закону  Оствальда  уменьшение  концентрации  слабой  кислоты 

приводит к росту степени еѐ диссоциации.  

Обратите внимание, что катион металла, входящего в состав соли, не 

принимает участие в буферном действии. 

При разбавлении и концентрировании рН не изменяется, так как остаѐт-

ся прежним соотношение компонентов БС.  

4.9.  Буферные системы крови: гидрокарбонатная, фосфатная,  

гемоглобиновая, белковая 

Бикарбонатная  (гидрокарбонатная)  БС  (Н

2

СО

3

/НСО

3

-

)  –  мощная 

система  плазмы  крови,  составляющая  примерно  10%  от  еѐ  общей  буфер-

ной  ѐмкости.  В  норме  соотношение  компонентов  (гидрокарбонат-анион  / 

угольная кислота) равно 20.  

Механизм действия бикарбонатной БС в организме аналогичен тако-

вому ацетатной БС, с той лишь разницей, что при увеличении концентра-

ции угольной кислоты, она интенсивно разлагается под действием фермен-

та карбангидразы: Н

2

СО

3

 ↔ Н

2

О + СО

2

↑. 

Образующийся  при  этом  углекислый  газ  удаляется  с  выдыхаемым  возду-

хом.  

   Фосфатная  БС.  Образована  двумя  ионами:  гидро-  и  дигидрофосфат-

анионами: НРО

4

2-

/Н

2

РО

4

-

Первый  из  них  выполняет  роль  соли,  второй  –  слабой  кислоты.  На 

долю  фосфатной  БС  приходится  примерно  1%  буферной  ѐмкости  крови. 

Механизм еѐ действия аналогичен описанному выше.  

    Белковая  БС  имеет  меньшее  значение  в  поддержании  рН.  Благодаря 

амфотерным свойствам белков, состав белковой БС условно можно пред-