АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Б) при добавлении небольших количеств кислоты или щелочи.

Буферные растворы состоят из двух компонентов:

а) слабого электролита – кислоты или основания

б) соли этого слабого электролита с сильным.

В зависимости от типа слабого электролита буферные растворы бывают кислотными (например, ацетатный ) и основными (например, аммиачный ).

Слабый электролит в растворе находится в основном в виде молекул, а соль – сильный электролит – в виде ионов:

Слабая кислота CH3COOH H+ + CH3COO- CH3COONa ® Na+ + CH3COO- Сопряженное основание

Слабое основание NH4OH NH4+ + OH- NH4Cl ® NH4+ + Cl- Сопряженная кислота

Следовательно, компоненты буферного раствора являются сопряженной кислотно-основной парой, и тогда состав буферных растворов можно представить так:

кислотные буферные растворы:

1. слабая кислота (донор протона) CH₃COOH

2.сопряженное основание (акцептор протона) CH₃COO^-

основные буферные растворы:

1. слабое основание (акцептор протона)NH₄OH или NH₃·H₂O

2.сопряженная кислота (донор протона) NH₄⁺ NH₄⁺

Данное вещество Н₃ВО₃ является слабой борной кислотой и может быть компонентом кислотной буферной системы (донором протона). Сопряженным основанием является Н₂ВО₃^-: H₃BO₃ H⁺ + H₂BO₃^-

слабая кислота сопряженное основание

Следовательно, буферный раствор имеет состав:

H₃BO₃ донор протона H₃BO₃

Н₂ВО₃^- акцептор протона, или в молекулярном виде NaH₂BO₃

Механизм буферного действия сводится к кислотно-основному равновесию: взаимодействию бавляемых ионов Н⁺ или ОН^-, а одним из компонентов буферного раствора – акцептором Н⁺ или донором Н⁺ и образованием малодиссоциирующего электролита, не изменяющего рН раствора.

При добавлении сильной кислоты: Н⁺ + Н₂ВО₃^- Н₃ВО₃

слабая кислота

Избыточные ионы водорода взаимодействуют с сопряженным основанием с образованием второго компонента буферного раствора – слабой борной кислоты. Это малодиссоциирующий электролит, в растворе преимущественно находится в виде молекул, поэтому концентрация протонов в растворе не увеличилась.

При добавлении щелочи: ОН^- + Н₃ВО₃ Н₂О + Н₂ВО₃^-

слабый электролит

Избыточные гидроксид-ионы взаимодействуют с кислотой с образованием малодиссоциирующего электролита воды, т.е. связываются. Кроме того, образуется второй компонент буферного раствора – сопряженное основание, которое также не изменяет величину рН раствора.

Задача 2. Рассчитайте значение рН кислотного буферного раствора, полученного сливанием 800 мл уксусной кислоты с концентрацией 0,25 моль/л и 300 мл раствора натрий ацетата с концентрацией 0,5 моль/л, если рК(СН₃СООН) = 4,76.

Решение: математическая зависимость величины рН кислотного буферного раствора от константы диссоциации слабой кислоты (вернее, показателя рКа) и концентрации компонентов буферного раствора выражается уравнением Гендерсона-Гассельбаха:

рН = рКа – lg

[соль]

[кислота] = , моль/л [соль] = , моль/л

После подстановки расчетная формула приобретает вид:

Ответ: рН ацетатного буферного раствора равен 4,65; рН<7, среда кислая.

Задача 3. Рассчитайте значение рН основного буферного раствора, составленного из 500 мл раствора NH₄OH c конецнтрацией 0,2 моль/л и 200 мл раствора NH₄Cl с концентрацией 0,5 моль/л. рКа (NH₄OH) = 4,75. Напишите механизм действия этого буферного раствора.

Решение: основной буферный раствор имеет следующий состав:

В таком буферном растворе среда щелочная. Значение рН буферного раствора зависит от диссоциации слабого основания:

NH₄OH NH₄⁺ + ОН^-

основание сопряженная щелочная среда

кислота

Концентрация ионов NH₄⁺ определяется концентрацией соли, являющейся сильным электролитом: NH₄Cl ® NH₄⁺ + Cl^-.

Тогда величину рН этого буферного раствора при 298 К можно рассчитать, зная значение константы диссоциации основания NH₄OH (или рКа) и концентрации комопнентов в растворе с учетом того, что рН = 14 – рОН,по уравнению:

Подставляем в него данные задачи:

Ответ: рН = 9,25; рН>7, среда щелочная.

Механизм действия этого аммиачного буферного раствора:

1. При добавлении кислоты: 2.При добавлении щелочи:

H⁺ + NH₄OH → H₂O + NH₄⁺ OH^- + NH₄⁺ → NH₄OH

слабый электролит слабый электролит

Задача 4. Рассчитайте, какой объем раствора уксусной кислоты и натрий ацетата с концентрациями соответственно 0,1 моль/л и 0,2 моль/л необходимо взять, чтобы приготовить 500 мл буферного раствора с рН = 4; рК (СН₃СООН) = 4,76.

Решение: записываем уравнение для расчета рН буферного раствора:

Обозначим через х объем раствора соли, тогда V_{кислоты} = (500 - х). Подставим эти значения и данные задачи в уравнение:

Vc = 47,2 мл; Vк = 500 - 47,2 = 452,8 мл.

Ответ: для приготовления буферного раствора нужно взять 47,2 мл раствора натрия ацетата и 452,8 мл раствора уксусной кислоты.

Задача 5. Приготовлены два ацетатаных буферных раствора из растворов СН₃СООН и СН₃СООNa одинаковой концентрации и следующих объемных соотношениях:

1. V (CH₃COOH) = 10 мл, V (CH₃COONa) = 20 мл;

2. V (CH₃COOH) = 20 мл, V (CH₃COONa) = 10 мл.

В каком растворе кислотная буферная емкость больше? Рассчитайте в нем величину кислотной буферной емкости, если при добавлении 5 мл раствора HCl с концентрацией 0,2 моль/л к 25 мл буферного раствора наблюдается сдвиг DрН = 1,5 ед.

Решение: при добавлении сильных кислот или оснований к буферному раствору компоненты буферного раствора расходуются на их связывание. Поэтому способность буферного раствора сохранять постоянное значение рН ограничена и количественно характеризуется буферной емкостью.

Различают буферную емкость по кислоте и по основанию. Буферная емкость измеряется числом молей эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которое надо добавить к 1 литру буферного раствора, чтобы изменить величину его рН на единицу. По отношению к кислоте буферная емкость рассчитывается по уравнению:

где С_{н (кислоты)} и V_{(кислоты)} – нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента) и объем добавленной сильной кислоты (С_К·V_К = n_Э);

DрН – сдвиг рН буферного раствора, вызванный добавлением сильной кислоты (щелочи);

V_БР – исходный объем буферного раствора.

Аналогично рассчитывается буферная емкость по основанию.

Буферная емкость зависит от концентрации компонентов буферного раствора и их соотношения. Чем выше концентрация сопряженного основания акцептора протонов, тем выше кислотная буферная емкость. Максимальная буферная емкость достигается при равенстве концентраций компонентов, т.к. В_К=В_Щ

Кислотная буферная емкость выше в том буферном растворе, где выше концентрация акцептора протонов, образующего с протонами добавляемой сильной кислоты слабый электролит, т.е. в растворе №1.

Подставим данные задачи в приведенное уравнение по расчету буферной емкости:

Ответ: Кислотная буферная емкость выше в растворе 1 и составляет 0,0267 моль/л.

Задача 6. Напишите состав и механизм действия белкового буферного раствора.

Решение: молекулы белков образованы a-аминокислотами. Они относятся к амфолитным буферным системам, т.к. содержат группы с кислотными свойствами (доноры протона): -СООН, -NH₃⁺ и с основными свойствами (акцепторы протона) –СОО^-, NH₂. В водном растворе белки, как и a-аминокислоты, в зависимости от рН среды могут находиться в виде нейтральных молекул, имеющих биполярное строение, в виде катионов или анионов.

Значение рН, при котором белки (или a-АК) находятся только в виде нейтральных молекул (когда суммарный заряд равен нулю), называется изоэлектрической точкой и обозначается pJ или ИЭТ.

Белковые буферные системы делятся на кислотные и основные. В тех и других системах роль сопряженного основания или кислоты играет биполярная молекула. Тогда их состав и механизм буферного действия можно записать так.

Кислотная белковая буферная система (действует в кислой среде)

слабая кислота - донор Н⁺: NH₃⁺-Pt-COOH

сопряженное основание – акцептор Н⁺: NH₃⁺-Pt-COO^-

а) при действии кислоты: