Буферные растворы и буферные системы организма Методические разработки

Образующийся углекислый газ выводится через легкие. В результате уменьшения концентрации гидрокарбонат-ионов в этой части кровеносного русла наблюдаются их диффузия в эритроциты и диффузия хлорид-ионов в обратном направлении. Углекислый газ может переноситься также в форме карбгемоглобина.

9В почках также накапливается избыток протонов в результате реакции, уравнение которой:

СО2 + Н2О Н2СО3 Н+ + HCO3-

который нейтрализуется гидроортофосфат-ионами (аналогично стадии 8) и аммиаком (аммиачная буферная система):

Н+ + NH3 NH4+

Таким образом, гемоглобиновая система участвует в двух следующих процессах: связывании протонов, накапливающихся в результате метаболических процессов (кислотная функция), и протонировании гидрокарбонат-иона с последующим выделением углекислого газа (основная функция). Протонирование гидрокарбонат-иона осуществляется более сильной кислотой — оксигемоглобином. Угольная кислота и оксигемоглобин являются сопоставимыми по силе кислотами. Смещение равновесия реакции (стадия 8) вправо происходит за счет постоянного удаления углекислого газа в процессе газообмена в легких. Связывание протонов осуществляется более сильным основанием – гемоглобинатионом.

Гемоглобиновую буферную систему можно рассматривать как одно из важнейших звеньев в транспорте углекислого газа из тканей в легкие в форме гид- рокарбонат-иона.

Анионы всех буферных систем, кроме гидрокарбонатной, называются буферными основаниями. Их роль в связывании метаболического СО2 можно выразить суммарным уравнением:

СО2 + Н2О + Вuf - HBuf + HCO3-

Количество протонов, которое может быть связано, зависит от концентрации буферных оснований. Поскольку постоянство рН обеспечивается изменением концентраций компонентов буферной системы, поддержание кислотноосновного состояния организма зависит от его способности восстанавливать предел сопротивляемости (буферной емкости).

Все механизмы, поддерживающие протолитический гомеостаз, тесно связаны. Изменение концентрации одного из видов ионов, происходящее при включении буферной системы, влечет за собой изменение концентраций ионов, не участвующих в протолитических реакциях, для сохранения электронейтральности плазмы крови. Изменение концентрации ионов вызывает изменение осмотического давления, которое также поддерживается в организме на постоянном уровне.

20

8. АЦИДОЗ. АЛКАЛОЗ

Обратить внимание! Все буферные системы организма обладают большей буферной емкостью по кислоте, чем по основанию, это соотношение находится в соответствии с особенностями метаболизма человеческого организма, образующего больше кислотных продуктов, чем основных. Именно поэтому очень важным показателем для физиологических сред является буферная емкость Вк по кислоте.

При заболеваниях органов дыхания, кровообращения, печени, желудка, почек, при отравлениях, голодании, диабете, ожоговой болезни может наблюдаться уменьшение или увеличение Вк по сравнению с нормой. Возникают патологические явления: ацидоз и алкалоз.

Ацидоз

– смещение рН крови в кислую область. Сопровождается уменьшением кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой.

Алкалоз

– смещение рН крови в щелочную область. Сопровождается увеличением кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой.

Диапазон изменения значений рН при различных типах нарушения кислот- но-основного баланса в организме представлен в табл. 4, а причины и классификация ацидоза и алкалоза – в табл. 5.

Таблица 4

Диапазон изменения значений рН при различных типах нарушения кислотно-основного баланса в организме

21

Коррекция кислотно-основного состояния организма

Обратить внимание! Для коррекции алкалоза или ацидоза дыхательного происхождения требуется значительно меньше времени, чем для устранения метаболических нарушений.

В качестве экстренной меры при ацидозе применяют внутривенное вливание растворов гидрокарбоната натрия (по 100-200 мл 4,5% раствора, в острых случаях – до 100 мл 8,4% раствора), однако при введении гидрокарбоната натрия в результате нейтрализации кислоты выделяется СО2, что снижает эффективность средства. Этого недостатка лишен трисамин, связывающий избыточные протоны:

H2N-C(CH2OH)3 + Н+ → H3N+–C(CH2OH)3

Трисамин выпускается в виде 3,66% водного раствора с рН 10,5. Трисамин эффективен только при внутривенном введении. В качестве средства, корригирующего ацидоз, используют также лактат натрия в виде 11% раствора для внутривенного введения.

Для устранения явлений алкалоза в некоторых случаях вводят 5% раствор аскорбиновой кислоты (с добавкой гидрокарбоната натрия для создания рН ≈

6,0–7,0).

Возможно изменение значений рН и в других средах организма. Наиболее изученным является патологическое состояние, связанное с изменением значения рН в различных отделах пищеварительного тракта, особенно в желудке. При некоторых заболеваниях развивается гиперсекреция желудочного сока, сопровождающаяся увеличением концентрации хлороводорода в желудочном содержимом (язвенная болезнь двенадцатиперстной кишки, антральный гастрит и др.). Увеличение секреции соляной кислоты наблюдается также при охлаждении, приеме слишком горячей пищи, алкогольных напитков и как побочное

22

действие ряда лекарственных препаратов. В некоторых случаях отмечаются гипосекреция желудочного сока и снижение концентрации соляной кислоты (например, при раке желудка). Уменьшение кислотности желудочного содержимого возможно при повышенном слюноотделении вследствие частичной нейтрализации желудочного сока избытком слабощелочной слюны.

В гастроэнтерологии применяют средства как стимулирующие (или замещающие) секреторную функцию желудка, так и тормозящие ее. При пониженной кислотности желудочного сока назначают разбавленную соляную кислоту, при повышенной кислотности - различные антацидные препараты: основной карбонат магния Mg(OH)2·4MgCО3·H20, оксид магния, карбонат кальция, кальмагин (гранулы, содержащие основной карбонат магния, карбонат кальция и гидрокарбонат натрия). В основе фармакологического действия всех перечисленных средств лежит реакция нейтрализации.

23

Вопросы, задачи и тесты для самоподготовки и самоконтроля

Вопросы

1.Активная, потенциальная и общая кислотность растворов.

2.Что такое буферный раствор? Каковы компоненты буферного раствора?

3.От чего зависит рН буферного раствора? Как можно рассчитать рН буферного раствора?

4.Меняется ли рН буферного раствора при разбавлении и добавлении небольших количеств щелочи или сильной кислоты?

5.Что такое буферная емкость, от чего она зависит?

6.Как приготовить буферный раствор с заданным значением рН? Например, как приготовить 20 мл ацетатного буферного раствора с рН = 5,00

из 0,1моль/л растворов СН3СООН и СН3СООNa?

7.Как подобрать буферный раствор для поддержания в растворе заданного значения рН?

Например, какой буферный раствор: фосфатный NaH2PO4 и Na2HPO4, гидрокарбонатный Н2СО3 и NaHCO3 или ацетатный СН3СООН и СН3СООNa надо выбрать для приготовления раствора с рН = 4,50 и почему?

8.рН биологических жидкостей, рН крови.

9.Буферные системы крови. Гидрокарбонатная, фосфатная, гемоглобиновая, белковая.

10.Взаимосвязь и соотношение буферных систем в крови.

11.Какая буферная система вносит максимальный вклад в буферную емкость крови?

12.Зачем в организме создается резерв СО2?

13.Какое соотношение СО2 и НСО3- опасно для жизни?

14.Что такое щелочной резерв крови?

15.Что такое алкалоз и ацидоз?

Тесты

1. Общая, активная, потенциальная кислотность (щелочность) харак-

1)буферная емкость не зависит от количества добавленного сильного электролита

2)максимальная буферная емкость достигается при рН = рК слабого компонента системы

3)буферная емкость меняется только при добавлении сильной кислоты

4)буферная емкость – величина постоянная

24

4. При добавлении HCI к буферной системе NH4Cl / NH4OH:

1) концентрация NH4CI уменьшается, концентрация NH4OH увеличивается 2) концентрация NH4CI увеличивается, концентрация NH4OH уменьшается 3) увеличиваются обе концентрации 4) концентрации компонентов не меняются

5. В каком объемном отношении смешали 0,1М растворы NH4Cl и NH4OH (рКb=4,76 ), если рН буферного раствора составил 9.24:

1) 1:2 2) 2:1 3) 1:1 4) 2:3

6. Смешали 100 мл 0,1М CH3COOH (рКa = 4.76) и 100 мл 0,1М

9.Фосфорная кислота может быть использована, чтобы получить:

1) 3 разных буферных раствора 2) только один буферный раствор НРО42-, Н2РО4- 3) не дает буферных систем

4) только в смеси с уксусной и борной кислотами

10.рН буферной системы не зависит от:

15. Если рН буф р-ра > рК слабого компонента, то система устойчива:

1) к избытку соли 2) к избытку щелочи 3) устанавливается равновесие 4) к избытку кислоты

25

Задачи

а) домашнее задание

1.Определить общую и активную щелочность раствора гидроксида бария, если для нейтрализации 15 мл его израсходовано 7.5 мл 0.2 М соляной кислоты. (Ответ: Собщ . = 0.05 моль/л, Сакт =0.1 моль-экв)

2.Активная кислотность желудочного сока 0.047. Рассчитать рН желудочного сока. (Ответ: рН=1.33.)

3.Чему равно рН ацетатного буферного раствора, если 1 л его содержит

0.9моль уксусной кислоты и 0.6 моль ацетата натрия (Ка = 1,75∙10-5)?

(Ответ: рН=4.56.)

4.Сколько мл 0,2 М раствора уксусной кислоты нужно добавить к 40 мл 0.1н. раствора ацетата натрия, чтобы получить раствор с рН=4? (Ответ: 115 мл)

5.Сколько мл 0,2 М раствора ацетата натрия нужно добавить к 40 мл 0,1 М раствора уксусной кислоты, чтобы получить раствор с рН=5?

6.Рассмотреть, как изменится рН 0.4 н. ацетатного буферного раствора при добавлении к 1 л этого раствора:

1) 0.2 моль гидроксида натрия;

2) 0.2 моль соляной кислоты;

3) 0.4 моль соляной кислоты.

Ответ: 1) ∆рН=0.48; 2) ∆рН = — 0.48; 3) ∆рН=4.58.

7.Определить рН раствора, содержащего 0,1 моль эфедрин-основания и

0,01 моль эфедрин-гидрохлорида в 1 л раствора, если рКэф.= 4.64. (Ответ: рН=10.36.)

8.Рассчитать величину буферной емкости фосфатного буферного раствора, если после добавления 10 мл 0,5 М раствора гидроксида натрия к 20 мл этого раствора рН последнего увеличивается с 7.20 до 8.00. (Ответ: 312,5 ммоль /л.)

б) самостоятельная работа на занятии

2.Какой компонент в фосфатной буферной системе (гидрофосфат/дигидрофосфат) выполняет роль слабой кислоты?

3.Почему при выводе формул рН буферных растворов равновесную концентрацию слабых электролитов можно принять за исходную?

4.Почему максимальная буферная емкость наблюдается при соотношении компонентов 1:1?

5.Почему буферная емкость по кислоте и по щелочи не всегда совпада-

ет?

6.В раствор уксусной кислоты добавлено некоторое количество ацетата натрия. Как изменится концентрация ионов водорода и рН этого раствора?

7.При введении в раствор ацетата аммония: а) ионов водорода; б) гидро- ксид-ионов-протекают процессы:

a) Н++ CH3COО- СН3СООН;

б) ОН- + NH4+ NH4OH.

26

8.Будет ли раствор NH4СН3СОО проявлять буферные свойства?

9.Буферный раствор приготовлен из 25 мл 0,5М раствора слабого основа-

ния (рКb = 4.64) и 30 мл 0,3М раствора соли этого слабого основания а) определить рН этого буферного раствора

б) как изменится рН при добавлении к нему 30 мл 0.1М раствора NaОН? в) рассчитать буферную емкость по щелочи

9.На основе угольной кислоты можно получить 2 вида буферных систем в

соответствии с рК1 = 6.37; рК2 = 10.35; а) составить эти буферные системы и выбрать ту, которая необходима для

приготовления буферного раствора с рН = 10.00 б) как приготовить 300 мл такого раствора из 0.1М растворов компонентов?

10.Составьте буферный раствор из молочной кислоты СН3СНОНСООН и ее соли и объясните механизм его действия

Примерные типы экзаменационных задач

1.При лихорадке рН крови уменьшается до величины 6.80. Каково при этом соотношение концентраций НСО3 и Н2СО3 в крови?

2.Какова величина рН в клетках печени, если в норме соотношение [HPO42-] / [H2PO4-] в них равно 6.3/1?

3.На сколько изменится рН фосфатного буферного раствора, содержащего

100 мл 0.1М KH2PO4 и 100 мл 0.3н. Na2HPO4 при добавлении 10 мл 0.2 М ще-

лочи? Кa2 = 6.17·10-8.

4.Сколько мл 0.1М дигидрофосфата натрия и 0.1М гидрофосфата калия

нужно взять для приготовления 200 мл фосфатного буферного раствора с рН =

7.69? рКa (Н2РО4-) = 7.21

5.Ацетатный буферный раствор используют при определении уропепсина

вмоче. На сколько изменится рН ацетатной буферной смеси, состоящей из 100мл 0,1М уксусной кислоты (рК = 4.76) и 200мл 0,2 М ацетата натрия, при добавлении 50 мл 0,2 М NaOH?

6.рН крови равен 7.36. Рассчитайте концентрацию ОН в крови человека

при 37◦ и при 40◦С, если Кw(37◦С) = 2.46·10 14, а Кw(40◦С) = 2.89·10 14.

Лабораторные работы (перечень)

1.Приготовление буферных растворов с заданным значением рН;

2.Расчет соотношения компонентов буферной системы по измеренному значению рН.

3.Определение буферной емкости кислотного буферного раствора.

27

Литература для проработки занятия (с указанием страниц):

1.Курс лекций.

2.Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебник для медицинских вузов. (Ю.А.Ершов, В.А.Попков, А.С.Берлянд и др.

Ред.Ю.А.Ершов), 8 изд., 560 с. – М,: Высш.шк., 2010 г., с. 108–119.

3.Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебное пособие для студентов медицинских вузов (Ред. В.А.Попков). Москва, Высшая школа, 2102, с. 103–105.

4.Сборник задач и упражнений по общей химии. Учебное пособие. (С.А. Пузаков, В.А. Попков, А.А. Филиппова). М.: Высшая школа., 4 изд., 2010г.с. 85–116.

Дополнительная литература:

1.Общая химия. Учебник для медицинских вузов. (В.А.Попков, С.А.Пузаков), 976 с. – М, ГЭОТАР Медиа, 2007 г. с. 594–623.

2.Задачи по общей химии с медико-биологической направленностью. Под ред. д.п.н. Т.Н.Литвиновой – Краснодар, 2011, с. 71–110.

3.Химия. Основы химии живого. Учебник для студентов ВУЗов, обучающихся по естественнонаучным направлениям. В.И. Слесарев. С.-П.: Химиздат,

2014 г. с.193–207.

28

Учебное издание

Хорунжий Вячеслав Владимирович, Авербург Кира Андреевна, Кабанов Александр Владимирович

Буферные растворы и буферные системы организма

Методические разработки

Подписано в печать 15.05.2018 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Объем 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 43.

Отпечатано в ЦМТ СПбГПМУ

ISBN 978-5-907065-34-5

29