Буферные системы

Одним из характерных свойств внутренней системы организмов является постоянство концентрации водородных ионов (изогидрия). Так, например, рН крови человека – 7,36. Сохранение этого показателя обеспечивается совместным действием ряда физико-химических и физиологических механизмов, из которых очень важная роль принадлежит буферным системам.

Буферными системами называются растворы, обладающие свойством достаточно стойко сохранять постоянство концентрации водородных ионов как при добавлении к ним небольшого количества сильных кислот или щелочей, так и при разведении.

Буферные системы (смеси или растворы) по составу бывают двух основных типов:

а) кислотные - слабая кислота и ее соль, образованная этой кислотой с сильным основанием;

б) основные - слабое основание и его соль, образованная этим основанием и сильной кислотой.

На практике часто применяются следующие буферные смеси:

СН₃ СООН

СН₃СООNa - ацетатный буфер;

Н₂СО₃

NaHCO₃ - бикарбонатный буфер;

NH₄OH

NH₄Cl - аммиачный буфер

КН₂PO₄

Na₂HPO₄ - фосфатный буфер

Pt – COOH – белок-кислота

Pt – COONa – белок-соль - белковый буфер (Pt – протеин-белок).

Каждая из буферных смесей характеризуется определенной концентрацией водородных ионов, которую буферная система и стремится сохранить при добавлении кислот или щелочей. Рассмотрим, что определяет постоянство рН, например, ацетатной буферной смеси

СН₃СООН Û Н⁺ + СН₃СОО ^-

СН₃СООNa ÞСН₃СОО^- + Na+

В ацетатном буферном растворе концентрация водородных ионов будет зависеть от степени диссоциации молекул кислоты. Согласно закону действия масс, константа диссоциации уксусной кислоты будет:

К = , откуда

[H⁺ ] = К×

При добавлении к слабодиссоциированной уксусной кислоте (К = 1,86× 10^-5) ее сильнодиссоциированной соли происходит резкое увеличение концентрации общего аниона (СН₃СОО ^-). В соответствие с законом действия масс это вызывает смещение равновесия влево, т.е. приводит к увеличению недиссоциированных молекул кислоты:

СН₃СООН Ü СН₃СОО ^- + Н⁺

Слабая диссоциация уксусной кислоты еще в большей степени будет подавлена и концентрация недиссоциированных молекул кислоты может быть принята равной общей концентрации кислоты. Так как соль полностью диссоциированна на ионы, то общая концентрация анионов может быть принята за общую концентрацию соли в буферном растворе. Исходя из этого, концентрацию ионов водорода в буферной смеси можно представить в следующем виде:

[H⁺ ] = К_к×

Для основного буфера, каким является, например аммиачный, соответственно будет

[OH ^-] = К_о×

Данные выражения являются основным уравнением буферных растворов. В логарифмической форме эти уравнения принимают вид:

pH = pK_к + lg[соль] – lg[кислота].

рH = pK_о + lg[основание] - lg[соль].

Таким образом, рН буферных смесей зависит от константы диссоциации кислоты или основания и от соотношения концентрации компонентов буферных смесей. Используя основное уравнение буферного раствора, можно вычислить рН любого буферного раствора, зная константу электролитической диссоциации кислоты или основания и концентрации кислоты и соли, а при одинаковых концентрациях их объемные отношения.

Предел, в котором проявляется буферное действие буферной системы характеризуется буферной емкостью. Численное значение буферной емкости (Б) определяется числом моль сильной кислоты или сильного основания, которое необходимо добавить к 1 л буферной смеси, чтобы изменить значение рН на 1:

,

где: DрН – изменение рН при титровании буфера кислотой или щелочью, наиболее близкое к 1 (DрН = рН₁ – рН₀).