Буферные растворы. Буферная емкость. Механизм действия буферных растворов. Применение их в анализе. Роль буферных растворов в процессах жизнедеятельности

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 Сr₂О₇^2- 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.