Буферные растворы и буферные системы организма Методические разработки

– соотношения концентраций компонентов

Пример 5: Рассчитать рН ацетатного буферного раствора ( рКа 4,76) , со-

держащего в 1 л:

а) 1 мольСН3СООН 1 мольСН3COONa

б) 0,4 мольСН3СООН

1,6 мольCH3COONa

Ответ: а) 4,76; б) 4,16.

Обратить внимание! Если для расчетов использовать объемы в мл, получим ммоль, что на конечных расчетах рН не отразится!

Расчет рН, исходя из объемов компонентов

При одинаковых исходных концентрациях кислоты и соли

рН рКа Vсоли 8 Vк ты

Формула (8) широко используется для приготовления буферных растворов с требуемым значением рН. Для этого сливаются различные объемы равных по концентрации компонентов буферных систем.

Пример 6. Рассчитайте рН ацетатного буферного раствора, приготовленного из 80 мл 0,1 моль/л раствора СН3СООН и 20 мл 0,1 моль/л раствора СН3СООNa. Kа(СН3СООН) = 1,75 10–5.

Решение: расчет рН буферных растворов производится по уравнению (6)

pH 4,76 lg 20 0,1 4,16 . 80 0,1

Ответ: рН ацетатного буферного раствора 4,16.

Пример 7. Как изменится рН, если к ацетатному буферному раствору, состоящему из 100 мл кислоты и 100 мл раствора соли, с концентрацией компонентов по 0,1 моль/л, прибавить 10 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 0,1 моль/л? рKb = 4,76.

Решение:

Ацетатный буферный раствор состоит из уксусной кислоты и соли – ацетата натрия, т.е. сопряженной пары: СН3СООН/СН3СОО–. При добавлении сильного основания ОН− будут связывать Н+ в воду, что приведет к смещению равновесия вправо:

СН3СООН + ОН- – СН3СОО– + Н2О.

Количество израсходованной кислоты равно количеству добавленной щелочи, а количество ацетат-ионов (соли), соответственно, на эту же величину возрастает. Используем уравнение (6):

рН1 4,76 lg 0,1 100 4,76 0,1 100

10

рН 2 4,76 lg 0,1 100 0,1 10 4,85 0,1 100 0,1 10

рН = рН2-рН1 = 4,85 – 4,76 = 0,09

Этот результат демонстрирует возможность буферной системы достаточно стойко сохранять постоянство рН.

Заметим, что для нахождения рН значение pKа можно и не использовать:

Ответ: рН изменится на 0,09 ед.

Пример 8. Как изменится рН, если к ацетатному буферному раствору, состоящему из 20 мл кислоты и 20 мл раствора соли, с концентрацией компонентов по 0,1 моль/л, прибавить 120 мл воды? рKа = 4,76.

Решение 1: Так как количества эквивалентов кислоты и соли при добавлении воды не изменились, можно сразу рассчитать начальное и конечное значение рН (формула 7):

при более подробных расчетах!

Решение 2:

При сливании исходных растворов кислоты и соли объем буферного раствора составил 20 + 20=40 мл, а их концентрации уменьшились в 2 раза: 0,1/2 = 0,05 моль/л, следовательно:

Объем конечного раствора после добавления 120мл воды составил 40+120=160мл. Получается, что буферный раствор разбавили в 4 раза (40/160=4), т.е.концентрации компонентов стали равны: 0,05/4=0,0125 моль/л, поэтому:

Можно рассчитать рН2, исходя из разбавления исходных растворов:

Объем конечного раствора после добавления 120 мл воды составил 20 +20+120=160 мл. Получается, что каждый из исходных растворов разбавили в 8 раз (20/160 = 8), т.е. концентрации компонентов стали равны:

0,1/8=0,0125 моль/л, поэтому:

Ответ: рН =4,76.

11

Вывод: независимо от способа расчета количество вещества кислоты и соли при разбавлении не меняется!!!

Обратить внимание!

Пример 9. Как изменится рН, если к ацетатному буферному раствору, состоящему из 100 мл кислоты и 100 мл раствора соли, с концентрацией компонентов по 0,1 моль/л, прибавить

а) 10 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 1 моль/л? б) 10 мл раствора соляной кислоты с концентрацией 1 моль/л?

В первом случае уксусная кислота полностью превратится в ацетат натрия – соль, которая при гидролизе дает щелочную среду.

Расчет конечного значения рН необходимо вести по формуле: pH 7 12 pКд к ты 12 lgCсоли (9)

Во втором случае ацетат натрия полностью превратится в уксусную кислоту и расчет конечного значения рН необходимо вести по формуле:

pH 12 pКд к ты 12 lgCк ты (10)

5. БУФЕРНАЯ ЕМКОСТЬ. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Для количественной характеристики возможности буферных систем противодействовать изменению рН при добавлении кислот и оснований используется понятие буферной ёмкости.

Определение Буферная емкость – количество вещества эквивалентов сильной кислоты

или щелочи, которое следует добавить к одному литру буферного раствора для изменения рН на единицу:

В nэкв. (12) ,

рН

где nэкв – количество сильного электролита в моль-эквивалентах, добавляемого к 1 л буферного раствора.

Для экспериментального нахождения буферной емкости используют гораздо меньшие объемы буферных растворов и добавляют сильный электролит до изменения рН в пределах 0,2–0,6. Расчеты ведут по формуле:

где

Nэл – нормальная концентрация сильного электролита (кислоты или щелочи), Vэл – его объем,

Vб.с. – объем буферной системы, к которой добавляли электролит,рН – изменение рН.

12

Расчет буферной емкости Пример 10. Рассчитать величину буферной емкости фосфатного буферного

раствора, если после добавления 20 мл 0,5M NaOH к 40 мл раствора рН последнего увеличился с 7,2 до 7,6.

Решение: Воспользуемся формулой 13:

Пример 11. К 100 мл крови для изменения рН от 7,36 до 7,00 надо добавить 3,6 мл соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль/л. Какова буферная емкость крови по кислоте?

Ответ: буферная емкость по кислоте составляет 0,01 моль/л (10 ммоль/л)

Зависимость буферной емкости от концентрации и соотношения компонентов:

Далее необходимо подчеркнуть, что буферная емкость зависит от:

1)от концентрации компонентов (с увеличением концентрации возрастает

ибуферная емкость);

2)от соотношения компонентов (буферная емкость максимальна при соотношении компонентов 1:1).

Для подтверждения вышесказанного можно решить задачи: Пример 12. Имеется 2 ацетатных буферных раствора, содержащих:

1)1,0 моль СН3СООН/1,0 мольCH3COONa

2)0,3 моль СН3СООН/0,3 моль CH3COONa

К каждому раствору добавили по 0,2 мольHCl. Где изменение рН будет больше? (рКа = 4,76)

/Ответ: рН1 = 0,18, рН = 0,70/.

13

Пример 13. Имеется два ацетатных буферных раствора:

1)1,0 моль СН3СООН/1,0 моль CH3COONa

2)1,7 моль СН3СООН/ 0,3 моль CH3COONa

К каждому из растворов добавили 0,2 моль-экв. HCl. Где изменение рН больше?

/Ответ: рН1 = 0,18, рН2 = 0,53.

Обратить внимание! Буферная емкость по кислоте и по щелочи одинаковы только для систем с соотношением компонентов 1:1

6. БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Постоянство рН жидких сред организма поддерживается буферными системами: гидрокарбонатной, гидрофосфатной, гемоглобиновой, белковой. Действие всех буферных систем в организме взаимосвязано, что обеспечивает биологическим жидкостям постоянное значение рН.

Ворганизме человека и животных буферные системы находятся в крови (плазме и эритроцитах), в клетках и межклеточных пространствах других тканей.

Буферные системы крови представлены буферными системами плазмы крови и эритроцитов.

Буферные системы плазмы — гидрокарбонатная, белковая и фосфатная, роль последней незначительна.

Вэритроцитах функционируют гемоглобиновая, гидрокарбонатная буферные системы, а также небольшие количества органических фосфатов, также обладающих буферным действием в клетке. Буферная емкость буферных систем крови представлена в табл. 3.

Таблица 3

Вклад буферных систем крови в поддержание протолитического гомеостаза

Гидрокарбонатная буферная система

Главное назначение гидрокарбонатной системы заключается в нейтрализации кислот. Гидрокарбонатный буферная система является системой быстрого реагирования, так как продукт ее взаимодействия с кислотами — углекислый газ быстро выводится через легкие. Помимо плазмы, гидрокарбонатная система содержится в эритроцитах, интерстициальной жидкости, почечной ткани.

14

Гидрокарбонатная буферная система составляет 53% общей буферной емкости крови (35% в плазме, 18% в эритроцитах).

Значение рН гидрокарбонатной буферной системы определяется по уравне-

Непосредственно измерить концентрацию угольной кислоты в крови практически невозможно. В физиологических условиях угольную кислоту принято условно рассматривать как сумму растворенного в организме СО2 и СО2, гидратированного до угольной кислоты, поэтому константа диссоциации угольной

Заметим, что K д/ была определена экспериментально и затем ее показатель вошел в уравнение Гендерсона-Гассельбаха (pK д/ = 6,10).

б) вследствие малой растворимости СО2 в плазме крови общую концентрацию угольной кислоты выражают через произведение парциального давления СО2 (в норме р(СО2) = 40 мм рт.ст.) и коэффициента его растворимости в плазме крови, равного 0,033. При этих условиях уравнение Гендерсона-Гассельбаха

Если выразить р(СО2) плазмы крови через кПа, то в норме оно равно 5,3 кПа, тогда коэффициент растворимости равен 0,23 а концентрация СО2 1,2 ммоль/л. При этом постоянная внеклеточная концентрация гидрокарбонатионов составляет 24 ммоль/л.

Это соотношение является важной биологической константой и позволяет сделать следующие выводы:

Обратить внимание!

а) при физиологическом значении рН буферная емкость гидрокарбонатной системы значительно больше по кислоте, чем по основанию, что обусловлено особенностями метаболизма нашего организма;

б) при физиологическом значении рН плазмы крови и эритроцитов СО2 находится преимущественно в виде НСО 3 .

15

При попадании протонов в кровь равновесие реакций смещается в сторону повышения давления СО2 в газовой фазе легких, поэтому лишний газ выдыхается.

При попадании же в плазму крови анионов ОН– процессы происходят в обратной последовательности: увеличивается скорость диссоциации Н2СО3, что вызывает растворение в плазме крови некоторого дополнительного количества содержащегося в легких углекислого газа. Таким образом, высокая интенсивность процесса дыхания может обеспечить достаточно быстрые сдвиги этих равновесий и компенсационного нарушения кислотно-основного равновесия в

организме за 10-15 мин. Изменяющееся при этом соотношение [НСО 3 ]/[СО2]

восстанавливается до нормы в течение 10–18 часов за счет изменения объема легочной вентиляции.

Гидрофосфатная буферная система

Гидрофосфатная (фосфатная) буферная система содержит дигидроортофос- фат-ион [Н2РО 4 ] (сопряженная кислота) и гидроортофосфат-ион [НРО 24 ] (сопряженное основание) и функционирует в основном в плазме.

В клетках она представлена КН2РО4 и К2НРО4, а в межклеточной жидкости

NaH2PO4 и Na2НРО4.

Обратить внимание! Буферная ёмкость фосфатной буферной системы (аналогично карбонатной) больше по кислоте, чем по основанию.

Действие фосфатной буферной системы сопряжено с физиологическим механизмом поддержания рН почками.

При поступлении в кровь какой-либо нелетучей сильной кислоты протекает реакция, уравнение которой:

Н+ + НРО 24 Н2РО 4 , при этом сильная кислота замещается эквивалентным количеством слабой ки-

слоты Н2РО 4 , которая концентрируется в почках и выделяется с мочой, значение рН последней понижается. Однако в норме соотношение [НРО 24 ]/[Н2РО 4 ] остается без особых изменений. Анионы сильных кислот выводятся в составе аммонийных солей вместе с катионами NH 4 . Основным источником NH3 служит гидролитическое дезаминирование глутамина в присутствии очень активного в почках фермента глутаминазы. Этот процесс называется аммониогенезом и также направлен на удаление избытка Н+. Гидрокарбонат-ионы НСО 3 из

первичной мочи (ультрафильтрат плазмы крови) почти полностью задерживаются почками и возвращаются обратно в кровь.

16

При попадании в кровь основания протекает реакция, уравнение которой: Н2РО 4 + ОН– = Н2О + НРО 24 ,

при этом сильное основание ОН– замещается эквивалентным количеством воды. Образующийся избыточный гидроортофосфат выводится почками с мочой, значение рН которой при этом повышается.

Во внутриклеточной жидкости при приеме мясной пищи повышается концентрация протонов, при приеме растительной пищи – анионов ОН–. Это приводит к расходованию НРО 24 и Н2РО 4 и, как следствие, повышению количества сопряженных кислот и оснований, избыток которых выводится с мочой, что и объясняет широкий интервал ее значений рН.

Полное восстановление соотношения концентраций компонентов фосфатной буферной системы [НРО 24 ]/[Н2РО 4 ] происходит только через 2-3 суток, что необходимо учитывать при терапевтической коррекции нарушения кислотноосновного равновесия организма.

Белковая буферная система

Белки – это полиамфолиты, которые способны отщеплять протоны за счет кислотных групп – СООН и - N Н3, а также присоединять протоны за счет основных групп: карбоксильной – СОО– и амино – NH2.

Изоэлектрическая точка (рI) – это значение рН, при котором макромолекула белка наименее заряжена. Для каждого белка рI имеет индивидуальное значение в зависимости от аминокислотного состава.

При рН > pIбелка сопряженная кислотно-основная пара представлена молекулой белка, имеющей биполярно-ионное строение, и акцептором протонов –

Механизм действия кислотной белковой буферной системы:

Н3 N –Prot–COO– + Н+ Н3 N –Prot–COOН.

сопряжен. основание

Механизм действия основной белковой буферной системы:

Н N–Prot–COO– + Н+ Н –Prot–COO–;

2 3 N

белок-основание

Н –Prot–COO– + ОН– Н N–Prot–COO–+ Н О.

3 N 2 2

сопряж. кислота Основную часть белков плазмы составляют альбумины и глобулины, изо-

электрические точки которых лежат в слабокислой среде при значениях рН 4,9–

17

6,3, поэтому в физиологических условиях при рН = 7,4 белки находятся преимущественно в виде аниона – акцептора протонов.

Обратить внимание! В связи с этим буферная емкость по кислоте анионного буферной системы больше, чем по основанию. Так, например, для альбуминов буферная емкость по кислоте 10 ммоль/л, а для глобулинов – 3 ммоль/л.

Из всех свободных аминокислот плазмы крови только гистидин имеет значение рKa = 6, близкое к значению рН (плазмы) = 7,4, поэтому он обладает значительным буферным действием. Вклад остальных аминокислот очень мал.

Гемоглобиновая буферная система

Гемоглобиновая (Hb) буферная система работает внутри эритроцитов и состоит из сопряженных кислотно-основных пар: HHb/Hb– и HHbO2/HbO 2 .

Гемоглобиновая буферная система — главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около 35 % всей буферной емкости крови.

Оксигемоглобин (HHbO2) является более сильной кислотой, чем гемоглобин (рKa(HHb) = 8,2); pKa(HHbO2) = 6,95), поэтому избыток протонов будет в первую очередь связываться анионами гемоглобина:

Н+ + Нb– НHb;

Напротив, гидроксид-ионы будут в первую очередь нейтрализоваться оксигемоглобином:

ОН– + HHbO2 HbO 2 + Н2О;

При рН = 7,25 (внутри эритроцитов) оксигемоглобин ионизирован на 65 %, а гемоглобин — на 10 %. Присоединение кислорода к гемоглобину уменьшает значение рН крови, так как при этом образуется более сильная кислота. С другой стороны, по мере отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях значение рН крови вновь увеличивается. Процессы переноса кислорода гемоглобином и буферирования тесно связаны между собой.

Действие гемоглобиновой буферной системы сопряжено с процессами газообмена в капиллярах легких и тканей.

Гемоглобиновая буферная система эффективно функционирует с бикарбонатной буферной системой:

Эритроцит

Взаимосвязь буферных систем организма человека

Рассмотрим взаимодействие буферных систем в организме по стадиям.

18

19