Кислотно-основные буферные системы и растворы
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:
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.
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.
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:
Немного больше о технологиях >>>
Применение световода на уроках физики
Школьник понимает физический опыт только
тогда хорошо, когда он его делает сам. Но еще лучше он понимает его, если сам
делает прибор для эксперимента.
П.Л.Капица
Физический эксперимент... Постановка его на
уроке позволяет учителю не только подробно рассмотреть физические я ...
Новые приоритеты в информационной безопасности США
Трагические
события, которые произошли в США 11 сентября 2001 года и повергли в шок весь
мир, вновь напомнили человечеству об обратной стороне технического прогресса.
Варварские террористические акты, совершенные группой террористов-смертников в
Нью-Йорке и Вашингтоне, стали су ...
