1.3. Буферні розчини. Буферна ємкість біологічних рідин

Буферні розчини підтримують сталість рН середовища незалежно від розведення або додавання невеличких кількостей кислоти або лугу, оскільки його рН залежить лише від співвідношення концентрації солі та кислоти і не залежить від ступеня розбавлення.

Буферними називаються розчини слабкої кислоти та її солі із сильною основою або слабкою основою і його солі із сильною кислотою. Наприклад, оцтовий буфер - оцтова кислота + оцтовокислий натрій.

Буферні системи можуть бути чотирьох типів:

1. Слабка кислота та її аніон А- /НА:

Ацетатна буферна система СН₃СОО^-/СН₃СООН у розчині СН₃СООNa і СН₃СООН, область дії рН 3, 8 – 5, 8.

Водень-карбонатна система НСО₃^-/Н₂СО₃ у розчині NaНСО₃ и Н₂СО₃, область дії – рН 5, 4 – 7, 4.

2. Слабка основа та її катіон В/ВН+:

Аміачна буферна системаNH₃/NH₄⁺ у розчині NH₃ та NH₄Cl, область її дії - рН 8, 2 – 10, 2

3. Аніони кислої та середньої солі або двох кислот та їх солей

Карбонатна буферна система СО₃^- /НСО₃^- у розчині Na₂CO₃ і NaHCO₃, область її дії - рН 9, 3 – 11, 3.

Фосфатна буферна системаНРО₄^-/Н₂РО₄^- у розчині Nа₂НРО₄ і NаН₂РО₄, область її дії - рН 6, 2 – 8, 2.

Ці сольові буферні системи можна віднести також і до першого типу, тому що одна із солей цих буферних систем виконує функцію слабкої кислоти. Так, у фосфатній буферній системі аніон Н₂РО₄^- є слабкою кислотою.

4. Іони і молекули амфолітів. До них відносять амінокислотні і білкові буферні системи. Якщо амінокислоти або білки знаходяться в ізоелектричному стані (сумарний заряд молекули дорівнює нулю), то розчини цих з'єднань не є буферними. Вони починають проявляти буферну дію, коли до них додають деяку кількість кислоти або лугу. Тоді частина білка (амінокислоти) переходить з ІЕС у форму “білок-кислота” або відповідно у форму “білок-основа”. При цьому утворюється суміш двох форм білка.

Для буферних розчинів характерні деякі властивості:

1. Буферність – властивість зберігати постійність концентрації іонів Н⁺ при додаванні у буферний розчин відзначеної кількості сильної кислоти або сильної основи. Наприклад, якщо до ацетатного буфера додати невелику кількість HCl, зрушення рН у кислий бік не відбудеться, тому що HCl вступила до реакції обмінного розкладання із сіллю слабкої кислоти:

CH₃COONa+HCl→NaCl+CH₃COOH

У результаті реакції сильна кислота, яка здатна зрушити рН у кислий бік, замінюється на слабку кислоту і нейтральну сіль.

Водневий показник буферної системи незначно змінюється при додаванні до розчину невеликої кількості лугу, тому що луг при реакції зі слабкою кислотою нейтралізується:

CH₃COOH+ NaОН→ CH₃COONa+Н₂О

Луг, який здатен здвинути рН середовища в основний бік, замінюється еквівалентною кількістю слабо основної солі, яка впливає на реакцію середовища у значно меншому ступені, ніж NaОН. У результаті цієї реакції оцтова кислота витрачається, але значного зниження вмісту іонів Н⁺ не відбувається, тому що за рахунок потенційної кислотності утворюються нові іони Н⁺ і CH₃COO^-, і активна кислотність суміші (рН) майже не змінюється.

2. Здатність буферних розчинів зберігати постійність концентрації іонів Н⁺ при розведенні.

Константа електролітичної дисоціації розчинів електролітів К при визначених умовах є величиною постійною. рН буферного розчину залежить від кількісного співіввідношення концентрацій солей або основ та їх солей. Тобто при розведенні розчину змінюється концентрація кислоти та солі, або основи та солі, але їх співвідношення залишаються незмінними. Розведення буферних розчинів у 10-20 разів майже не відбивається на значенні рН і тільки дещо підвищується після сотого знаку.

3. Буферна ємкість. Межа, в якій проявляється буферна дія, називається буферною ємкістю. Буферну ємкість виражають кількістю речовини еквівалента сильної кислоти або основи, яке слід добавити до 1 м³ буферного розчину, щоб змістити рН на одиницю:

, де

В - буферна ємкість;

С – кількість сильної кислоти або основи, кмоль;

рН₀ – водневий показник до додавання сильної кислоти або основи;

рН₁ – після додавання кислоти або лугу.

Буферна ємкість розчинів залежить від їхньої абсолютної концентрації і з розведенням зменшується прямо пропорційно ступеня розведення.

У живих організмах буферні системи підтримують постійність рН у крові та тканинах. У процесі обміну в живому організмі утворюються великі кількості кислих продуктів. Підтримка постійності реакції всередині організму забезпечується наявністю в ньому сильних буферних систем. Особливо важливу роль відіграє білковий, бікарбонатний та фосфатний буфери.

У колоїдно-лисперсійному стані в молоці знаходиться сироваткові білки, казеїн, більша частина фосфатів та кальцію. Кислота знижує (-) заряд казеїнових міцел, тому що Н^- іони подавляють дисоціацію карбоксильних груп Н₃РО₄, при цьому групи СОО^- переходять у СООН, а РО₃^2- у РО₃Н₂. у результаті досягається рівняння (+) та (-) зарядів при рН=4,6…4,7.

У молоці наявні декілька буферних систем (білковий, фосфатний, цитратний). Вони забезпечують постійність рН молока. Білковий буфер складається з білків молока (казеїну) і натрієвих або калієвих солей, які можуть вступати до реакцій як з кислотами так із лугами, таким чином нейтралізуючи їх. У випадку додавання або накопичення у молоці кислоти, іони Н₂ кислоти зв’язуються із сіллю казеїну, при цьому утворюється вільний білок, який має властивості слабкої кислоти.

NH₃ NH₃

/ /

R +HCl → R +NCl

\ \

COONa COOH

Дисоціація СООН слабка, рН молока змінюється незначно.

Так само діє і фосфатний буфер

Na₂HPO₄ + HCl = Na₂H₂PO₄ + NaCl