Материал: Учебное пособие по химии для студентов i курса факультета всо оренбург, 2016 удк 54(075. 8) Ббк 24я73 у 91

COO^– + HOH ⇄ CH₃COOH + OH^–

Уксусная кислота, также входящая в буфер, диссоциирует лишь в незначительной степени:

CH₃COOН ⇄ CH₃COO^– + H⁺

Слабая диссоциация СН₃СООН еще более подавляется в присутствии СН₃СООNa, поэтому концентрацию недиссоциированной уксусной кислоты принимаем практически равной ее начальной концентрации:

[СН₃СООН] = [кислота]

С другой стороны, гидролиз соли также подавлен наличием в растворе кислоты. Поэтому можно считать, что концентрация ацетат-ионов в буферной смеси практически равна исходной концентрации соли без учета концентрации ацетат-ионов, образующихся в результате диссоциации кислоты:

[СН₃СОО^–] = [соль]

Согласно закону действующих масс, равновесие между продуктами диссоциации уксусной кислоты и недиссоциированными молекулами подчиняется уравнению:

К_д = .

Подставив общую концентрацию кислоты и соли в уравнение константы диссоциации, получим: [Н⁺] = К_д , отсюда для кислотных буферных систем: рН = рК_{(кислоты)} + lg . Это уравнение называют уравнением Гендерсона – Гассельбаха.

После аналогичного вывода для основных буферных систем:

рОН = рК_{(основания)} + lg , рН =14 – рК_{(основания)} – lg

рК_{(кислоты),} рК_{(основания)} - отрицательный десятичный логарифм константы электролитической диссоциации слабой кислоты; слабого основания; [соль] - концентрация соли, [кислота] - концентрация кислоты, [основание] - концентрация основания.

Из этих уравнений видно, что рН кислотной (основной) буферной системы зависит от природы слабого электролита (рК_{(кислоты)}, рК_{(основания)}) и от соотношения концентраций соли и кислоты (основания).

Следует отметить, что буферные системы эффективно поддерживают рН в диапазоне: рК_{(кислоты)}  1 для кислотных систем; 14 – (рК_{(основания)}  1) для основных систем.

Механизм действия буферных систем:

1. Разбавление. При разбавлении водой происходит уменьшение концентрации обоих компонентов в буферной системе в одинаковой степени, поэтому величина их соотношения не изменится. рК_{(кислоты)} и рК_{(основания)} являются постоянными при данной температуре и не зависят от разбавления. Действительно, одновременное понижение концентраций кислоты и соли в ацетатной буферной системе от 0,1М до 0,001М при разбавлении водой изменяет рН буферного раствора с 4,63 до 4,73 (это ничтожное изменение рН при разбавлении буферного раствора в 100 раз обусловлено некоторым изменением коэффициента активности соли). Следовательно, разбавление в конечном итоге мало изменяет рН буферных систем.

2. Добавление кислот и оснований. При добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований рН буферных систем изменяется незначительно. Например, рассмотрим ацетатный буфер:

СН₃СООН / СН₃СОО^–

кислотный компонент – солевой компонент

а) При добавлении к ацетатному буферу небольшого количества HCl, происходит взаимодействие ионов Н⁺ с солевым компонентом буферного раствора:

Н⁺ + СН₃СОО^– ⇄ СН₃СООН

Степень диссоциации СН₃СООН мала и концентрация [H⁺] практически не меняется. рН буферного раствора уменьшится, но незначительно.

Таким образом, если к ацетатному буферу добавить Х моль/л HCl, то уравнение для расчета рН буферной системы принимает вид:

рН = рК_{(кислоты)} + lg

б) При добавлении небольшого количества NaOH, – ионы нейтрализуются кислотным компонентом буферного раствора:

+ СН₃СООН ⇄ СН₃СОО ^– + Н₂О

В результате этого, добавленное сильное основание заменяется эквивалентным количеством слабого сопряженного основания (СН₃СОО^–), которое в меньшей степени влияет на реакцию cреды. рН буферного раствора увеличивается, но незначительно.

Таким образом, если к ацетатному буферу добавить У моль/л NaOH, то уравнение для расчета рН буферной системы принимает вид:

рН = рК_{(кислоты)} + lg

Буферная емкость

Способность буферного раствора сохранять значение рН при добавлении сильной кислоты или щелочи приблизительно на постоянном уровне характеризует буферная емкость.

Буферная емкость (В) - это число молей эквивалента сильной кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы сместить его рН на единицу.

Буферная емкость системы определяется по отношению к добавляемым кислоте (В_кисл.) или основанию (щелочи) (В_осн.) и рассчитывается по формулам:

В_кисл.= В_осн.=

где V(HA), V(B) - объемы добавленных кислоты или щелочи, л.; С_н(НА), С_н(В) - молярные концентрации эквивалента соответственно кислоты и щелочи; V(б.р.) - объем исходного буферного раствора, л.; рН_о, рН - значения рН буферного раствора до и после добавления кислоты или щелочи; |рН-рН_о| - разность рН по модулю.

Буферная емкость по отношению к кислоте (В_кисл.) определяется концентрацией (количеством эквивалентов) компонента с основными свойствами; буферная емкость по отношению к основанию (В_осн.) определяется концентрацией (количеством эквивалентов) компонента с кислотными свойствами в буферном растворе.

Максимальная буферная емкость при добавлении сильных кислот и оснований достигается при соотношении компонентов буферного раствора равном единице, когда рН = рК, при этом В_осн. = В _кисл. (рис.1).



Рис.1. Изменение буферной емкости в зависимости от величины отношения [соль]/[кислота].

Поэтому, применение любой буферной смеси ограничено определенной областью рН (областью буферирования), а именно:

рН = рК_{(кислоты)}  1 для кислотных систем, или

рН= 14 – (рК_{(основания)}  1) для основных систем.

Буферная емкость зависит не только от отношения концентраций компонентов буферного раствора, но и от общей концентрации буферной смеси.

Буферные системы организма

Гидратация углекислого газа приводит к образованию угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О ⇄ Н₂СО₃ ⇄ + Н⁺

В меньшей степени количество ионов Н⁺ (30–80 ммоль/сутки) обусловлено поступлением в организм, а также образованием в нем таких кислот как серной (в результате обмена серосодержащих аминокислот), фосфорной (при метаболизме фосфорсодержащих соединений), органических кислот, образующихся при неполном окислении липидов и углеводов.

Организм освобождается от кислот благодаря процессам дыхания и мочевыделения, т.е. в организме существует взаимосвязь между метаболическими процессами и газообменом. В оценке кислотно-основного состояния организма важно не только определение значения рН, но и характеристика механизмов, обеспечивающих регуляцию этого параметра.

Если бы в организме не было немедленных буферных механизмов и респираторной (дыхательной) компенсации, то тогда даже обычные, ежедневные нагрузки кислотами сопровождались бы значительными колебаниями величины рН.

Постоянство рН жидких сред организма поддерживается в живых организмах буферными системами. Главным из них являются гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Действие всех буферных систем в организме взаимосвязано, что обеспечивает биологическим жидкостям постоянное значение рН. В организме человека и животных буферные системы находятся в крови (плазме и эритроцитах), в клетках и межклеточных пространствах других тканей.

Буферные системы крови представлены буферными системами плазмы крови и буферными системами эритроцитов. Буферные системы плазмы – гидрокарбонатная, белковая и фосфатная, роль последней незначительна. На их долю приходится  44% буферной емкости крови. Буферные системы эритроцитов – гемоглобиновая, гидрокарбонатная, система органических фосфатов (фосфатная). На их долю приходится  56% буферной емкости крови.


Таблица 1

Буферная емкость отдельных буферов крови

Название буферной системы	% относительной буферной емкости
Гемоглобин и оксигемоглобин	35%
Органические фосфаты	3%
Неорганические фосфаты	2%
Белки плазмы	7%
Гидрокарбонат плазмы	35%
Гидрокарбонат эритроцитов	18%

Наиболее важным буфером организма является гидрокарбонатная буферная система, обеспечивающая около 55% буферной емкости крови. Более того, эта система занимает центральное положение среди всех других важных механизмов гомеостаза ионов водорода, включая гемоглобиновую буферную систему (которая обеспечивает 35% буферной емкости крови), а также секрецию ионов водорода в почках. Непосредственно измерить очень низкую концентрацию угольной кислоты в крови практически невозможно. При равновесии с растворенным СО₂ в уравнение вместо [Н₂СО₃] вводят [СО₂]. Уравнение Гендерсона – Гассельбаха принимает следующий вид:

рН = 6,1 + lg , где рК = –lg (Н₂СО₃) = 6,1

Практически в крови измеряют парциальное давление углекислого газа СО₂. Концентрацию растворенного в плазме СО₂ рассчитывают, умножая на константу растворимости СО₂. Если выражено в килопаскалях (кПа), то константа равна 0,23, если в мм. рт. ст. – 0,03.

Поэтому, если выражено в кПа, уравнение приобретает следующую форму:

рН = 6,1 + lg

Парциальное давление СО₂ в плазме крови в норме составляет

5,3 кПа (40 мм.рт.ст.), что соответствует концентрации СО₂ 1,2 ммоль/л. Поддержание постоянства этого уровня зависит от равновесия между высвобождением СО

₂ в результате реакций обмена веществ и его потерями из организма через альвеолы.

В клетках почечных канальцев и в эритроцитах часть СО₂ задержанная легкими, используется для образования гидрокарбонат-ионов. Почки играют ведущую роль в поддержании постоянства концентрации бикарбонатов в циркулирующей крови. Эритроциты осуществляют тонкую регуляцию бикарбонатов в плазме крови.

При плазмы крови 5,3 кПа эти две ткани поддерживают в норме постоянную внеклеточную концентрацию гидрокарбонат-ионов 24 ммоль/л. Соотношение во внеклеточной жидкости [НС ] / [СО₂] (обе величины в ммоль/л) составляет 20:1. По уравнению Гендерсона–Гассельбаха это соотношение соответствует величине рН плазмы крови, равной 7,4:

рН = 6,1 + lg = 6,1 + lg20 = 6,1 + 1,3 = 7,4

Таким образом, активная реакция плазмы артериальной крови у здоровых людей соответствует рН= 7,40.

Снижение соотношения [НС ] / [СО₂] < 20 является причиной ацидоза. Ацидоз может быть обусловлен повышенным образованием ионов водорода Н⁺ или усиленным выделением из организма гидрокарбонатов.

Повышение соотношения [НС ] / [СО₂] > 20 приводит к алкалозу.

Так как в плазме крови основную роль в связывании ионов Н⁺ играет гидрокарбонат – анион, его концентрация в плазме обусловливает резервную щелочность крови.

Фосфатная буферная система содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно в почках.

В клетках она представлена КН₂РО₄ и К₂НРО₄. В плазме крови и межклеточном пространстве NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄. Основную роль в механизме действия этой системы играет ион :

⇄ Н⁺ +

кислота сопр.основание
Увеличение концентрации Н⁺ приводит к сдвигу реакции влево, т.е. к образованию кислоты:

+ Н⁺ ⇄

основание сопр. кислота

Белковые буферные системы являются амфолитными, т.к. в их состав входят – аминокислоты, содержащие группы с кислотными свойствами

(–СООН и – ) и основными свойствами (–СОО^– и –NH₂). Механизм действия такой буферной системы можно представить следующим образом:

кислотная буферная система

а) H₃N⁺ – R – COOH + OH^– ⇄H₃N⁺ – R – COO^– + H₂O

белок–кислота

б) H₃N⁺ – R – COO^– + H⁺ ⇄H₃N⁺ – R – COOН

соль белка–кислоты

(сопряженное основание)

основная буферная система

а) H₂N – R – COO^– + Н⁺ ⇄H₃N⁺ – R – COO^–

белок–основание
б) H₃N⁺ – R – COO^– + ОН^– ⇄H₂N – R – COO^– + Н₂О

соль белка–основания

(сопряженная кислота)

где R – макромолекулярный остаток белка.

Роль белков плазмы крови в гомеостазе ионов водорода весьма мала.

Гемоглобиновая буферная система находится только в эритроцитах. Механизм ее действия связан с присоединением и отдачей кислорода. В связи с этим гемоглобин (Нв) имеет окисленную ННвО₂ и восстановленную ННв формы.

ННв + О₂ ⇄ ННвО₂⇄ Н⁺ +

кислота сопряженное

основание

ННв ⇄ Н⁺ + Нв^–

кислота сопряженное

основание

Механизм действия основан на реакциях:

+ Н⁺ ⇄ ННвО₂ ННв + О₂

основание

ННвО₂ + ОН^– ⇄ + Н₂О

кислота

ННв + ОН^– ⇄ Нв^– + Н₂О

кислота

Нв^– + Н⁺ННв

основание

Из представленных выше схематических реакций видно, что добавление сильной кислоты или сильной щелочи вызывает защитную реакцию буферной системы по сохранению постоянного значения рН среды, что объясняется связыванием добавляемых Н⁺ и ОН^– и образованием малодиссоциирующих электролитов.

Гемоглобиновая буферная система в организме эффективно функционирует только в сочетании с гидрокарбонатной системой. Поскольку аэробные процессы обмена веществ в эритроцитах почти не происходят, они вырабатывают относительно мало СО

₂. Из плазмы крови в соответствии с концентрационным градиентом СО₂ диффундирует в эритроциты, где фермент карбоангидраза катализирует ее взаимодействие с водой, приводящее к образованию угольной кислоты. По мере диссоциации Н₂СО₃ освобождающиеся ионы Н⁺ в основном взаимодействуют с гемоглобином как буферной системой. В эритроцитах увеличивается концентрация гидрокарбонат-ионов, которые диффундируют во внеклеточную жидкость в соответствии с концентрационным градиентом.



Рис 2. Образование гидрокарбонатов в эритроцитах

Таким образом, большая часть СО₂ поступившего в кровь, появляется в плазме совсем не в виде кислоты, а как гидрокарбонат-ионы. Эту возможность дает именно присутствие в эритроцитах гемоглобиновой буферной системы и карбоангидразы.

Действие всех буферных систем организма взаимосвязаны. Поступившие извне или образовавшиеся в процессе обмена веществ Н⁺ ионы связываются в слабо диссоциирующие соединения, поэтому в жидкостях организма содержится значительно меньше свободных ионов Н⁺, чем поступает туда.

Однако при заболеваниях органов системы дыхания, кровообращения, печени, почек, при отравлениях, голодании, ожоговой болезни, неукротимой рвоте, изнуряющих поносах и т.д. может иметь место нарушение кислотно-основного равновесия. Оно может сопровождаться либо увеличением концентрации ионов водорода в жидкостях организма и такое состояние получило название ацидоза, либо уменьшением концентрации ионов водорода, и такое состояние получило название алкалоза.

Схема защиты против ацидоза



Ацидоз встречается чаще, так как в организме при распаде многих веществ образуются кислоты. Как указывалось, выше, буферные системы крови и почки стабилизируют рН крови и тем самым всей внутренней среды организма.

Разберем более подробно механизм защиты против ацидоза.

Появившийся ион водорода при ацидозе нейтрализуется гидрокарбонат-ионом буферной системы крови с образованием слабо диссоциирующей угольной кислоты:

Н⁺ + ⇄ Н₂СО₃

Избыточное количество последней расщепляется до Н₂О и СО₂