Почему буферные растворы препятствуют изменению pH раствора? Что является основным доказательством того, что данный раствор проявляет буферное действие? Каково биологическое значение буферных смесей? Приведите примеры буферных растворов, встречающихся в живых организмах. Рассчитайте pH буферного раствора по данным таблицы (концентрация кислоты и соли одинаковы) или соотношение объемов растворов кислоты и соли (концентрации равные) в буферной смеси с величинами pH, представленными в таблице.
№ задачи
Буферная смесь
Количество кислоты, мл
Количество соли, мл
pH буферной смеси
64 ацетатная
? 4 4,33
Решение:
Растворы, содержащие одновременно какую-либо слабую кислоту и ее соль или какое-либо слабое основание, и его соль и оказывающие буферное действие, называют буферными растворами. Буферные растворы можно рассматривать как смеси электролитов, имеющих одноименные ионы. Присутствие в растворе слабой кислоты или слабого основания и их солей уменьшает влияние разбавления или действия других кислот и оснований на pH раствора.
Такими буферными растворами являются следующие смеси: CH3COOH + CH3COONa, NH4OH + NH4Cl, Na2CO3 + NaHCO3 и др.
В смесях водных растворов слабых кислот и их солей, а также в смесях слабых оснований и их солей концентрации ионов водорода и гидроксила зависят не от абсолютных количеств, а от соотношений кислоты или основания и их солей. Это значит, что величина [H+] в таких смесях не зависит от разбавления смеси. В самом деле, если подобную смесь разбавить в 10 раз, то в 10 раз уменьшится концентрация компонентов смеси, а соотношение кислоты или основания и их солей не изменится и величина [H+] останется постоянной. Свойство некоторых растворов сохранять неизменной концентрацию ионов водорода при разбавлении, а также, что будет показано ниже, при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот или щелочей, известно под названием буферного действия.
Действие буферных растворов основано на том, что отдельные компоненты буферных смесей связывают ионы водорода или гидроксила вводимых в них кислот или оснований с образованием слабых электролитов. Например, если к буферному раствору, содержащему слабую кислоту и соль этой кислоты, прибавить сильное основание, то произойдет реакция образования слабого электролита — воды:
Вместо израсходованных ионов водорода, вследствие последующей диссоциации кислоты, появляются новые ионы водорода. В результате прежняя концентрация ионов в буферном растворе восстановится до ее первоначального значения.
Если к указанной буферной смеси прибавить сильную кислоту,то произойдет реакция
то есть ионы, образующиеся при электролитической диссоциации соли, соединяясь с ионами водорода прибавленной кислоты, образуют молекулы слабой кислоты. Поэтому концентрация ионов водорода от прибавления сильной кислоты к буферной смеси тоже практически не изменится.
Доказательством того, что данный раствор является буферным, является то, что pH среды мало меняется при добавлении в раствор сильных кислот и щелочей.
В живых организмах буферные системы поддерживают постоянство рН в крови и тканях. В процессе обмена в живом организме образуются большие количества кислых продуктов. Так, в организме человека за сутки образуется такое количество различных кислот, которое эквивалентно 20—30 л однонормальной сильной кислоты. Сохранение постоянства реакции внутри организма обеспечивается наличием в нем мощных буферных систем. В организме человека особенно большую роль играют белковый, бикарбонатный и фосфатный буферы.
Буферной смесью крови является карбонатная смесь, состоящая из NaНСО3 и СО2, а также фосфатные смеси, состоящие из NaН2РО4 и Na2HPО4. Бикарбонатный буфер присутствует в крови также в довольно большой концентрации.
Наиболее мощными буферными системами крови являются так называемые гемоглобиновые буферы, которые составляют примерно 75% всей буферной емкости крови. Сущность действия этих буферных систем заключается в следующем: кислые продукты обмена веществ взаимодействуют с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества их калиевых солей и свободного гемоглобина, обладающего свойствами слабой органической кислоты. Таким образом, подкисления крови не происходит.
Углекислота, связанная с гемоглобином, в конечном итоге выделяется в воздух через легкие, однако сдвига рН крови в щелочную сторону не происходит, так как образующийся при этом оксигемоглобин значительно кислее гемоглобина.
Большое значение в поддержании постоянного рН внутри живых клеток имеет так называемый белковый буфер. Этот буфер состоит из протеина (Pt) и его соли, образованной сильным основанием Na или К. Компоненты этого буфера можно представить так: Pt—СООН — слабо диссоциирующая кислота, Pt—COONa — ее соль:
Рассчитайте соотношение объемов растворов кислоты и соли (концентрации равные) в буферной смеси с величиной pH, представленной в таблице.
№ задачи
Буферная смесь
Количество кислоты, мл
Количество соли, мл
pH буферной смеси
64 ацетатная
? 4 4,33
Решение:
pH ацетатного буферного раствора рассчитывается по формуле
,
где Ka – константа кислотной диссоциации уксусной кислоты
Ka = 4,76
На 0,37 объема раствора ацетата натрия взять 1 объем раствора кислоты. Так как объём раствора ацетата натрия 4 мл, то объём раствора уксусной кислоты равен 4/0,37 = 10,81 мл.
Ответ: V(CH3COOH) = 10,81 мл.
