Определение.
В лабораторной практике часто приходится работать с растворами, которые имеют определенное значение рН. Такие растворы называют буферными.
Буферные растворы – растворы, рН которых практически не изменяется при добавлении к ним небольших количеств кислот и оснований или при их разбавлении.
Буферные растворы могут быть четырех типов:
1. Слабая кислота и её соль. Например, ацетатный буферный раствор СН3СООН + СН3СООNа (рН=4,7).
2. Слабое основание и его соль. Например, аммиачный буферный раствор NH4OH + NH4Cl (рН=9,2).
3. Раствор двух кислых солей. Например, фосфатный буферный раствор NaH2PO4 + Na2HPO4 (рН=8). В этом случае соль играет роль слабой кислоты.
Аминокислотные и белковые буферные растворы.
Механизм действия.
Действие буферных растворов основано на том, что ионы или молекулы буфера связывают ионы Н+ или ОН- вводимых в них кислот или щелочей с образованием слабых электролитов. Например, если к ацетатному буферному раствору СН3СООН + СН3СООNа добавить соляную кислоту, то произойдет реакция:
СН3СООNа + НСl = СН3СООН + NаСl
СН3СОО- + Н+ = СН3СООН
СН3СОО- ионы, взаимодействуя с катионами Н+ соляной кислоты, образуют молекулы уксусной кислоты, в растворе не происходит накопление Н+, поэтому концентрация их практически не изменяется, а следовательно, не изменяется значение рН раствора.
При добавлении к ацетатному буферному раствору щелочи (например, NaОН) происходит реакция:
СН3СООН + NaОН = СН3СООNа + Н2О
СН3СООН + ОН- = СН3СОО- + Н2О
Катионы Н+ уксусной кислоты соединяются с ОН- ионами щелочи, образуя воду. Концентрация кислоты уменьшается. Вместо израсходованных катионов Н+, в результате диссоциации уксусной кислоты СН3СООН, вновь появляются катионы Н+ и их прежняя концентрация восстанавливается и значение рН раствора не изменяется.
Буферная емкость.
Всякий буферный раствор практически сохраняет постоянство рН лишь до прибавления определенного количества кислоты или щелочи, то есть обладает определенной буферной емкостью.
Буферная емкость – то предельное количество (моль) сильной кислоты или щелочи, которое можно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН его изменился не более чем на единицу.
Приготовление.
Буферные свойства проявляются очень слабо, если концентрация одного компонента в 10 раз и более отличается от концентрации другого. Поэтому буферные растворы часто готовят смешением растворов равной концентрации обоих компонентов либо прибавлением к раствору одного компонента соответствующего количества реагента, приводящего к образованию равной концентрации сопряженной формы.
Для приготовления аммиачной буферной смеси смешивают 100 мл раствора NH4Cl с массовой долей его 10% и 100 мл раствора NH4OH с массовой долей 10% и разбавляют полученную смесь дистиллированной водой до 1 л.
Применение.
Буферные растворы широко применяются в химическом анализе, биохимическом анализе для создания и поддержания определенного значения рН среды при проведении реакций.
Например, ионы Ва2+ отделяют от ионов Са2+ осаждением дихромат-ионами Сr2О72- в присутствии ацетатного буферного раствора; при определении многих катионов металлов с помощью трилона Б методом комплексонометрии используют аммиачный буферный раствор.
Буферные растворы обеспечивают постоянство биологических жидкостей и тканей. Главными буферными системами в организме являются гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Причем, действие всех буферных систем взаимосвязано. Поступившие из вне или образовавшиеся в процессе обмена веществ ионы водорода связываются одним из компонентов буферных систем. Однако, при некоторых заболеваниях может происходить изменение значения рН крови. Смещение значения рН крови в кислую область от нормальной величины рН 7,4 называется ацидозом, в щелочную область – алкалозом. Ацидоз возникает при тяжелых формах сахарного диабета, длительной физической работе и при воспалительных процессах. При тяжелой почечной или печеночной недостаточности или при нарушении дыхания может возникнуть алкалоз.
