Визначення рН розчинів кислот, основ, солей, буферних розчинів в залежності від їх концентрації.

Визначення р. Н розчинів кислот, основ, солей, буферних розчинів в залежності від їх концентрації.

БУФЕРНІ РОЗЧИНИ Властивості розчинів зберігати певне значення р. Н називається буферною дією. Буферні розчини це такі розчини, які мають властивість зберігати певне значення р. Н при додаванні до них певної кількості кислоти чи лугу або при розбавленні розчину. У медичній та фармацевтичній практиці часто виникає необхідність в приготуванні буферних розчинів, здатних підтримувати постійне значення р. Н: для введення цих розчинів в організм, для моделювання в лабораторних умовах біологічних процесів, в хімічному, фармацевтичному та клінічному аналізі, тощо.

Типи буферних розчинів: 1) складається із слабкої кислоти та її гідролітично лужної солі Приклади: CH3 COOH+CH3 COONa – ацетатний буфер; H2 CO3+Na2 CO3 – карбонатний буфер; 2) складаються із слабкої основи та її гідролітично кислої солі Приклади: NH4 OH+NH4 Cl – аміачний буфер; 3) складаються із суміші солей, у яких різна кількість атомів водню заміщена на атоми металу, одна з солей виконує роль сильної кислоти, а інша - сполученої їй основи. Приклади: Na. H2 PO4+Na2 HPO4 – фосфатний буфер. 4) білковий (у біологічних системах) Приклади: Гемоглобін + Н+ ⇄ Гемоглобін • Н

Приготувати такі буферні розчини можна просто шляхом зливання двох відповідних розчинів. При цьому будуть поєднуватися два рівноваги, наприклад для ацетатного буферу: Дисоціація слабкого електроліту СН3 СООН ⇆ СН3 СОО– + Н+ Гідроліз по його парному йону : СН3 СООNa ⇄ СН3 СОО– + Na+ CH3 COO– + НОН ⇆ СН3 СООН + НО–Властивості буферних розчинів: 1) концентрація іонів гідрогену буферних сумішей мало залежить від розбавлення; 2) додавання до буферних сумішей невеликої кількості (у межах буферної ємності) кислоти або лугу мало змінює р. Н розчину;

3) величина буферної ємності залежить від концентрації компонентів буферної суміші та від їх співвідношення. 1.1. Додавання сильної кислоти. При додаванні невеликої кількості сильної кислоти (наприклад HCl) до ацетатного буферу відбувається реакція обмінну з одним компонентом суміші (CH3 COONa): CH3 COONa + HCl ⇄ Na. Cl + CH3 COOH Катіони Н+ , що надходять до розчину, зв'язуються у молекули оцтової кислоти, яка має невелику ступінь дисоціації. Таким чином, концентрація Н+ не збільшується і р. Н розчину практично не змінюється. 1.2. Додавання лугу. Доданий у невеликих кількостях луг вступає в реакцію з оцтовою кислотою, в результаті чого ОН– іони зв'язуються з іонами Н+ оцтової кислоти з утворенням недисоційованих молекул води. CH3 COOH + Na. OH ⇄ H2 O + CH3 COONa, тобто додавання лугу замінюється еквівалентною кількістю слабко основної солі, яка практично не впливає на зміну р. Н розчину

1.3. Розведення водою. Припустимо, що буферний розчин розвели водою у 10 разів. Внаслідок зменшення концентрації оцтової кислоти концентрація Н+ повинна була б зменшитись. Однак цього не відбувається, тому що з розведенням збільшується ступінь дисоціації оцтової кислоти. Крім того, одночасно зменшується концентрація ацетату натрію, що пригнічує своїми однойменними іонами дисоціацію оцтової кислоти. Отже, при розведенні буферного розчину водою р. Н практично не змінюється. 1.4. Обмеження що накладаються на буферну систему Кислота в буферній системі не повинна бути занадто сильною (р. Ка < 3), так як в цьому випадку не можна знехтувати дисоціацією кислоти; Кислота в ній не повинна бути і занадто слабкою (р. Ка > 11), тому що в цьому випадку не можна знехтувати гідролізом солі. Адже дуже слабкій кислоті буде відповідати дуже сильна спряжена основа, за якою йде гідроліз

Розрахунки р. Н буферного розчину. р. Н буферного розчину, який містить слабку кислоту та її гідролітичну лужну сіль, розраховують за формулою Гендерсона-Гассельбаха, де рівноважні молярні концентрації компонентів буфера виражені через їх аналітичні концентрації і об'єми: де р. К — від'ємний логарифм константи дисоціації слабкої кислоти. Для буферних сумішей, які складаються із слабкої основи та гідролітично кислої солі, рівняння має вигляд:де р. К — від'ємний логарифм константи дисоціації слабкої основи. р. Н буферної суміші залежить від концентрацій компонентів буферної суміші та від співвідношення між цими компонентами.

Якщо молярні концентрації компонентів буфера рівні, СМ(осн) = СМ(к-ти), р. Н= р. К+ lg CсоліV солі Cкисл. V кисл р. OН = р. К+ lg CсоліV солі Cоснови. V основи то рівняння прийме більш простий вигляд: Звідси можна обчислити відношення об'ємів компонентів буфера,

Межа, до якої проявляється буферна дія, називається буферною ємністю. Буферну ємність виражають кількістю речовини еквіваленту сильної кислоти або основи, яку потрібно додати до 1м3 буферного розчину, щоб змінити р. Н на одиницю, тобтоде (n = C•V), n – кількість речовини еквіваленту сильної кислоти або лугу, кмоль Б — буферна ємність, VБ. Р. – об'єм буферного розчину, мл; р. Н1 — водневий показник до додавання сильної кислоти або лугу, р. Н2 — водневий показник після додавання кислоти або лугу.

Біологічне значення буферних систем. В живих системах буферні системи підтримують постійне значення р. Н у крові та тканинах. У процесі обміну утворюється велика кількість кислих продуктів. Так, у організмі людини утворюється така кількість кислот, що дорівнює 20-30 л 1н сильних кислот. Зберігати постійне значення р. Н в організмі допомогає наявність у ньому буферних систем. У організмі людини велику роль відіграє бікарбонатний, білковий та фосфатний буфери. Б= n V Б. Р •( p. H1 − p. H2 ) Буферні системи плазми крові людини Сталість р. Н крові (7,36 ± 0,04) забезпечується буферними системами крові спільно з роботою легень і нирок. Буферні системи крові нерівномірно розподілені між плазмою і еритроцитами. Найбільш важливою буферною системою плазми є бікарбонатний буфер, що складається з слабкої вугільної кислоти (р. К1 6,1) та її кислого аніона бікарбоната. Вугільна кислота Н2 СО3 знаходиться в рівновазі зі своїм ангідридом СО2. Фермент карбонат-дегідратаза("карбоангидраза") прискорює встановлення рівноваги між обома формами. Без каталізатора рівновага між СO2 і HCO3 – встановлюється відносно повільно. При р. Н плазми концентрації НСО3 – і СО2 знаходяться в співвідношенні 20/1. Розчинений в крові СО2 равновесно обмінюється з СО2 газової фази альвеол легенів. Тому НСО3 - /СО2 -система є ефективною відкритої буферної системою

Прискорене або сповільнене дихання змінює концентрацію СО2, що призводить до зміни р. Н плазми (дихальний ацидоз або відповідно алкалоз). Таким чином, легені можуть швидко і дієво впливати на р. Н плазми без участі систем видалення прогонів Білки плазми і особливо гемоглобін еритроцитів також здатні приєднувати протони, підтримуючи сталість р. Н. В еритроцитах присутній гемоглобіновий буфер в двох варіантах: НHb/Hb – р. Ка 8,2 НHb•О2/Hb•О2 – р. Ка 6,95 (оксигемоглобіновый). Гемоглобіновий-оксігемоглобіновий буфер становить 75% всієї буферної ємності еритроцитів. Певний внесок у буферні властивості крові вносить фосфатний буфер. Грунти та грунтові розчини також мають певну буферність. Буферність твердої фази грунту обумовлена двома факторами: наявністю грунтових колоїдів, складом катіонів, які поглинаються. Чим більше грунт містить органічних речовин, тим вище його буферна дія.