Буферные системы

Кислотно-основные буферные системы и растворы.

      Буферными называют растворы, рН которых практически на изменяется от добавления к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разведении. Простейший буферный раствор – это смесь слабой кислоты и соли, имеющей с этой кислотой общий анион (например, смесь уксусной кислоты СН3СООН и ацетата натрия СН3СООNa), либо смесь слабого основания и соли, имеющей с этим основанием общий катион (например, смесь гидроксида аммония NH4OH с хлоридом аммония NH4Cl).

     С точки зрения протонной теории1 буферное действие растворов обусловлено наличием кислотно-основного равновесия общего типа:

Воснование + Н+ Û ВН+сопряженная кислота

НАкислота Û Н+ + А-сопряженное основание

Сопряженные кислотно-основные пары В /ВН+ и А- /НА называют буферными системами.

     Буферные растворы играют большую роль в жизнедеятельности. К числу исключительных свойств живых организмов относится их способность поддерживать постоянство рН биологических жидкостей, тканей и органов – кислотно-основной гомеостаз. Это постоянство обусловлено наличием нескольких буферных систем, входящих в состав этих тканей.

     Классификация кислотно-основных буферных систем. Буферные системы могут быть четырех типов:

1.     Слабая кислота и ее анион А- /НА:

·        ацетатная буферная система СН3СОО-/СН3СООН в растворе СН3СООNa и СН3СООН, область действия рН 3, 8 – 5, 8.

·        Водород-карбонатная система НСО3-/Н2СО3 в растворе NaНСО3 и Н2СО3, область её действия – рН 5, 4 – 7, 4.

2.     Слабое основание  и его катион В/ВН+:

·        аммиачная буферная система NH3/NH4+  в растворе NH3 и NH4Cl,

     область ее действия – рН 8, 2 – 10, 2.

3.      Анионы кислой и средней соли или двух кислых солей:

·        карбонатная буферная система СО32- /НСО3- в растворе Na2CO3 и NaHCO3,  область ее действия рН 9, 3 – 11, 3.

·        фосфатная буферная система НРО42-/Н2РО4- в растворе Nа2НРО4 и NаН2РО4, область ее действия рН 6, 2 – 8, 2.

     Эти солевые буферные системы можно отнести к 1-му типу, т. к. одна из солей этих буферных систем выполняет функцию слабой кислоты. Так, в фосфатной буферной системе анион Н2РО4- является слабой кислотой.

4.  Ионы и молекулы амфолитов. К ним относят аминокислотные и белковые буферные системы. Если аминокислоты или белки находятся в изоэлектрическом состоянии (суммарный заряд молекулы равен нулю), то растворы этих соединений не являются буферными. Они начинают проявлять буферное действие, когда к ним добавляют некоторое количество кислоты или щелочи. Тогда часть белка (аминокислоты) переходит из ИЭС в форму “белок-кислота” или соответственно в форму “белок-основание”. При этом образуется смесь двух форм белка: (R – макромолекулярный остаток белка)

а) слабая “белок-кислота” + соль этой слабой кислоты:

            СОО-                                                        СООН

R – СН          +          Н+          Û          R – СН

            N+Н3                                                                                      N+Н3  

основание А-                                                   сопряженная кислота НА

(соль белка-килоты)                                             (белок-кислота)

б) слабое “белок-основание” + соль этого слабого основания:

            СОО-                                                              СОО-

R – СН          +          ОН-          Û          R – СН          +           Н2О

            N+Н3                                                                                             NН2  

кислота ВН+                                                                         сопряженное основание В

(соль белка-основания)                                            (белок-основание)

Таким образом, и этот тип буферных систем может быть отнесен соответственно к буферным системам 1-го и 2-го типов.

     Механизм буферного действия можно понять на примере ацетатной буферной системы СН3СОО-/СН3СООН, в основе действия которой лежит кислотно-основное равновесие:

СН3СООН          Û           СН3СОО-          +          Н+;                       (рКа = 4, 8)

     Главный источник ацетат-ионов – сильный электролит СН3СООNa:

СН3СООNa          ®          СН3СОО-          +          Na+

     При добавлении сильной кислоты сопряженное основание СН3СОО- связывает добавочные ионы Н+, превращаясь в слабую уксусную кислоту:

СН3СОО-          +          Н+            Û                СН3СООН

(кислотно-основное равновесие смещается влево, по Ле Шателье)

     Уменьшение концентрации анионов СН3СОО- точно уравновешивается повышение концентрации молекул СН3СООН. В результате происходит небольшое изменение в соотношении концентраций слабой кислоты и ее соли, а следовательно, и незначительно изменяется рН.

     При добавлении щелочи протоны уксусной кислоты (резервная кислотность) высвобождаются и нейтрализуются добавочные ионы ОН-, связывая их в молекулы воды:

СН3СООН          +          ОН-          Û           СН3СОО-          +           Н2О

(кислотно-основное равновесие смещается вправо, по Ле Шателье)

В этом случае также происходит небольшое изменение в соотношении концентраций слабой кислоты и ее соли, а следовательно, и незначительное изменение рН. Уменьшение концентрации слабой кислоты СН3СООН точно уравновешивается повышение концентрации анионов СН3СОО-.

     Аналогичен механизм действия и других буферных систем. Например, для белкового буферного раствора, образованного кислой и солевой формами белка, при добавлении сильной кислоты ионы Н+ связываются солевой формой белка:

            СОО-                                                        СООН

R – СН          +          Н+          ®         R – СН

            N+Н3                                                                                      N+Н3

Количество слабой кислоты при это незначительно увеличивается, а солевой формы белка – эквивалентно уменьшается. Поэтому рН остается практически постоянным.

     При добавлении щелочи к этому буферному раствору ионы Н+, связанные в  "белке – кислоте", высвобождаются и нейтрализуют добавленные ионы ОН-:

            СООН                                                           СОО-

R – СН          +          ОН-         ®         R – СН          +           Н2О

            N+Н3                                                                                             NН2  

Количество солевой формы белка при этом незначительно увеличивается, а "белка – кислоты" – эквивалентно уменьшается. И поэтому рН практически не изменится.

     Таким образом, рассмотренные системы показывают, что буферное действие раствора обусловлено смещением кислотно-основного равновесия за счет связывания добавляемых в раствор ионов Н+ и ОН- в результате реакции этих ионов и компонентов буферной системы с образованием малодиссоциированных продуктов.

     В основе расчета рН буферных систем лежит закон действующих масс для кислотно-основного равновесия.

     Для буферной системы 1-го типа, например, ацетатной, концентрацию ионов Н+ в растворе легко вычислит, исходя из константы кислотно-основного равновесия уксусной кислоты:

СН3СООН          Û           СН3СОО-          +          Н+;                       (рКа = 4, 8)