Буферные pacтворы, состав, механизм действия

Постоянство концентрации ионов водорода, являющейся одной из важнейших констант организма, поддерживается так называемыми буферными системами или растворами.

Буферными системами (буферами) называют растворы, обладающие свойством поддерживать (в определенных пределах) постоянное значение рН как при добавлении к ним кислот или оснований, так и при разбавлении их водой.

По своему составу буферные растворы бывают двух типов: кислые (состоят из слабой кислоты и её соли, полученной при взаимодействии с сильным основанием) и основные (состоят из слабого основания и его соли, образованной с сильной кислотой).

Примером кислой буферной системы является ацетатный буфер:CH₃COОH + CН₃COONa, основного буферного раствора – аммиачный буфер:NH₄OH + NH₄Cl.

Механизм действия буферных растворов можно рассмотреть на примере ацетатного буфера. В этом растворе происходят следующие реакции электролитической диссоциации:

 

 

Так как степень диссоциации слабой уксусной кислоты очень мала, практически её можно считать недиссоциированной. Следовательно, кислотность буферной смеси мала. Натриевая соль уксусной кислоты, яв­ляясь сильным электролитом, диссоциирует практически полностью на ионы CH₃COO^– и Na⁺. Следовательно, концентрация ионов CH₃COO^– практически равна концентрации раствора соли (СН₃СООNa), а концентрация недиссоциированной кислоты (СН₃СООН) равна концентрации всей кислоты в растворе.

Каждая из буферных смесей характеризуется определенной концен­трацией водородных ионов, которую буферная система стремится сохранить при добавлении к ней кислоты или основания. Рассмотрим это на примере ацетатного буфера.

В соответствии с законом действующих масс константа диссоциации уксусной кислоты равна:

[H⁺] ^. [COO^–]

К = ———————, (1)

[CH₃COOH]

 

Так как концентрация недиссоциированной кислоты ([СН₃СООН]) практически равна концентрации всей кислоты в растворе, а концентрация ионов CH₃COО^– равна концентрации соли (СН₃СООNа), получим:

 

Если растворы кислоты и соли приготовлены в равных концентрациях, то

т.е. концентрация ионов водорода буферов зависит от соотношения объёмов кислоты и соли, взятых для приготовления буфера.

Из уравнения (2) видно:

1) что разбавление буферных растворов водой не изменит соотношения концентраций кислоты и соли, а значит и значения [H⁺] и pН соответственно;

2)что при добавлении в буферный pacтвоp сильной кислоты, ионы Н⁺, образованные при её диссоциации, будут нейтрализованы (связаны) ионами СН₃СОО^– с образованием слабодиссоциирующей уксусной кислоты (СН₃СООН);

3) при добавлении в буфер щелочи, её ионы ОН^– будут связаны ионами Н⁺ с образованием Н₂О – также слабодиссоциирующих молекул. И хотя этих ионов (Н⁺) образуется при диссоциации кислоты мало, выведение их из реакции смещает равновесие диссоциации кислоты в сторону образования ионов Н⁺ (принцип Ле-Шателье).

Таким образом, добавление кислоты или щелочи незначительно изменит концентрацию ионов водорода буферной системы.

Буферная емкость

 

Предел, в котором проявляется буферное действие, называется буферной ёмкостью. Её выpaжaют количеством грамм-эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, которые следует добавить к 1 л буферного раствора, чтобы сместить его рНна 1 единицу.

 

 

Где В – буферная емкость; с – количество грамм-эквивалентов; рН_о – водородный показатель до добавления сильной кислоты или основания; рН₁ – водороднй показатель после добавления.

Наибольшей буферной емкостью обладают концентрированные буферные растворы. Из буферных растворов с равной концентрацией наибольшей емкостью будут обладать те, которые составлены из равного количества компонентов.