Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Химия. Оловянникова Р.Я.
Методические указания к лабораторному занятию № 3
для внеаудиторной работы студентов.
БУФЕРНАЯ СИСТЕМА КАК СОПРЯЖЕННАЯ ПРОТОЛИТИЧЕСКАЯ ПАРА. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ БУФЕРА. РАСЧЕТ РН БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ. БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ КРОВИ. КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ В ОРГАНИЗМЕ И ВИДЫ ЕГО НАРУШЕНИЙ.
Буферный раствор – это система сопряженной кислотно-основной пары, компоненты которой находятся в соотношении 1:1 или один компонент может преобладать над другим в 10 раз.
Силовой характеристикой кислотно-основной пары является показатель кислотности рКа. Следовательно, у буфера – та же силовая характеристика. И с учетом определения мы получаем буферное уравнение в общем виде (уравнение Гендерсона-Гассельбаха):
или
(1)
к] и [о] равновесные молярные концентрации соответствующих компонентов буфера (кислоты и сопряженного основания).
В самом деле, если [о] : [к]=1:1, то р
Если отношение , ([о] преобладает в 10 раз) то р
Наконец, если , ([к] преобладает в 10 раз) то р Таким образом, каждый буфер, по своему определению, обладает зоной буферного действия: .
Вернемся к составным частям буфера в плане его приготовления.
# Для кислотного буфера берется слабая кислота, а в качестве источника её сопряженного основания берется соль, содержащая её ион. Например, для ацетатного буфера СН3СООН/СН3СОО− (рКа4,8 при 25℃) в качестве источника основания СН3СОО− берется ацетат натрия СН3СООNa. Для гидрокарбонатного буфера Н2СО3/НСО3− (рКа6,4 при 25℃) в качестве источника основания НСО3− берется гидрокарбонат натрия NaНСО3. Для фосфатного буфера Н2РО4−/НРО42− (рКа6,8-7,2) в качестве источника основания НРО42− берется соль гидрофосфат натрия Na2НРО4. Однако для этого буфера в качестве источника кислоты Н2РО4− берется тоже соль дигидрофосфат натрия NaН2РО4. Таким образом, для приготовления фосфатного буфера сливают растворы двух солей.
# Для основного буфера берется слабое основание, а в качестве источника сопряженной ему кислоты берется соль, содержащая его ион. например, для аммиачного буфера (рКа9,2) в качестве источника кислоты берется хлорид аммония NH4Cl.
Как правильно выбрать буфер? Как его приготовить по заданному рН? Обратимся к уравнению (1). Для приготовления буфера, который будет надежно защищать как от сильной кислоты, так и от щелочи, выбирают ту сопряженную кислотно-основную пару, рКа которой ближе к заданному рН (следовательно, ΔрН≈0). Тогда соотношение компонентов кислотно-основной пары будет приближаться к единице (а.
Для расчета компонентов буфера уравнение (1) преобразуют таким образом, чтобы равновесные молярные концентрации были выражены через аналитические и объемы:
И, если С(основания) = С(кислоты), то все упрощается:
(2)
Число под логарифмом (соотношение объемов компонентов) находим путем антилогарифмирования, обозначив
,
откуда = (научиться антилогарифмировать!)
Если объем буфера будет задан, то можно рассчитать и объемы каждого компонента отдельно, решая систему двух уравнений с двумя неизвестными:
# берется с учетом знака + или −.
V(o) + V(к) = V(буфера)
Откуда V(к) = (3)
Затем V(o) = V(буфера) – V(к)
Таким образом, мы вывели общую формулу для расчета объемов компонентов любого буфера.
Антилогарифмирование. Примеры.
Следовательно,
# Можно антилогарифмировать через степенную функцию , где х – это само значение логарифма (состоящее из характеристики и мантиссы). Тогда последний пример решается так:
Н+
НО−
НОН
Механизм действия буфера можно отобразить схематично в общем виде:
(1)
Защита от кислоты: при добавлении сильной кислоты (Н+) в работу вступает оснóвный компонент буфера, связывая протоны водорода в слабую кислоту – компонент буфера. Поэтому рН среды практически не меняется. Защита от кислоты будет продолжаться до тех пор, пока в буфере есть оснóвный компонент. Другими словами, буфер обладает определенной емкостью по кислоте.
Защита от щелочи: при добавлении щелочи (ОН−) в работу вступает кислотный компонент буфера, и, отдавая свои Н+ на ОН−, связывает их в воду, что не может повлиять на рН среды. В то же время кислотный компонент буфера превращается в сопряженное основание – компонент буфера. Поэтому рН среды практически не меняется. Защита от щелочи будет продолжаться до тех пор, пока в буфере есть кислотный компонент. Другими словами, буфер обладает определенной емкостью по основанию.
Н+
НО−
НОН
Н+
НО−
НОН
Механизм действия буфера обычно отражают уравнениями. Но схема записи (1) всегда поможет это сделать. Например, для ацетатного буфера:
Н+
НО−
НОН
Защита от кислоты:
+ Н+ → (в ионном виде)
+ НCl → + NaCl
Защита от щелочи:
→ НОН + (в ионном виде)
→ НОН +
Н+
НО−
НОН
Н+
НО−
НОН
Для аммиачного буфера:
Защита от кислоты:
(в ионном виде)
(в молекулярном виде)
Защита от щелочи:
(в ионном виде)
(в молекулярном виде)
Буферная емкость – это количество эквивалентов сильного электролита, которое надо прилить к 1 л буфера, чтобы изменить его рН на единицу.
, моль/л
На практических занятиях студенты убеждаются, что буферная емкость сыворотки крови по кислоте больше, чем буферная емкость по основанию. О чем это говорит? Это означает, что в крови основные компоненты буфера ( преобладают над кислотными (. Имеет ли это биологический смысл? Безусловно. В кровь поступает больше продуктов катаболизма кислотного типа (пировиноградная, молочная кислоты). Продуктов основного типа меньше (аммиак, мочевина, креатин и креатинин), и они являются более слабыми основаниями. Поэтому защищать организм нужно от кислот.
Превышение содержания основных компонентов буфера в сыворотке крови над кислотными позволило говорить о так называемом «щелочном резерве» организма. Его уменьшение приводит к ацидозам.
Буферные системы плазмы крови: гидрокарбонатная Н2СО3/НСО3− (рКа6,1 при 37℃), фосфатная Н2РО4−/НРО42− (рКа6,8-7,2), протеиновая (HPt/Pt−), аминокислотная (скорее, гистидиновая, т.к. рКа(R-группы гис)6,0; ). В цельной крови основная буферная емкость (75%) приходится на гемоглобиновую HHb/Hb− (рКа8,2) и оксигемоглобиновую систему HHb∙O2/Hb∙O2− (рКа6,95) эритроцитов. Все биохимические буферные системы работают сопряженно с физиологическими: легочной и почечной. Совместное функционирование указанных систем позволяет поддерживать основные параметры кислотно-основного равновесия (КОР) у здорового человека: рН крови 7,36±0,04 и равновесное парциальное давление СО2 40 мм рт.ст.
Уменьшение рН крови при неизменном определяется как метаболический ацидоз, а при изменении – как респираторный (дыхательный) ацидоз.
Увеличение рН крови при неизменном определяется как метаболический алкалоз, а при изменении – как респираторный (газовый, или дыхательный) алкалоз.
Причины нарушения КОР нетрудно понять, если обратиться к главному буферу сыворотки крови – бикарбонатному.
,
где S – коэффициент растворимости СО2 в крови, равный 0,033 (коэф. Будзена).
Отсюда видно, что метаболический ацидоз характеризуется дефицитом бикарбонатов или избытком нелетучей угольной кислоты. Это бывает при нарушении кровообращения или выделительной функции почек, кислородном голодании (когда активируется анаэробный гликолиз и в кровь поступают кислые продукты, требующие большого расхода бикарбонатов), диабете, диарее (когда теряются бикарбонаты с калом).
Метаболический алкалоз, напротив, характеризуется избытком буферных оснований (в том числе, бикарбонатов) и дефицитом буферных кислот (в том числе, угольной кислоты). Это бывает при неукротимой рвоте (когда удаляются кислые продукты из желудка), запорах (когда накапливаются щелочные продукты в кишечнике; ведь источником бикарбонат-анионов является поджелудочная железа, протоки которой открываются в 12-перстную кишку), а также при длительном приеме щелочной пищи и минеральной воды, соли которой подвергаются гидролизу по аниону.
Респираторные (газовые, или дыхательные) ацидозы характеризуются пониженной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоростью образования метаболического СО2. Это бывает при заболеваниях органов дыхания, гиповентиляции легких, угнетении дыхательного центра некоторыми препаратами, например, барбитуратами.
Респираторные (газовые, или дыхательные) алкалозы характеризуются повышенной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоростью образования метаболического СО2. Это бывает при вдыхании разреженного воздуха, гипервентиляции легких, развитии тепловой одышки, чрезмерного возбуждения дыхательного центра вследствие поражения головного мозга.
При ацидозах в качестве экстренной меры используют внутривенное вливание 4 – 8 % гидрокарбоната натрия, а лучше – 11 % лактат натрия. Последний, нейтрализуя кислоты, не выделяет СО2, что повышает его эффективность. Алкалозы корректируются сложнее, особенно метаболические (связанные с нарушением систем пищеварения и выделения). Иногда используют 5 % раствор аскорбиновой кислоты, нейтрализованный бикарбонатом натрия до рН 6 – 7.
Ситуационные и учебно-познавательные задачи.
Краткое изложение задачи:
рНover 7,4
рНinter 6,9
Решение: Уже из условий задачи понятно, что концентрация Н+ внутри клетки больше, чем внеклеточная: [Н+]inter > [Н+]over. Убедимся в этом с помощью расчетов. Исходя из определения рН, выведем формулу для расчета [Н+].
отсюда и
Ответ: концентрация Н+ внутри клетки больше внеклеточной в 3,2 раза.
Краткое изложение задачи: Решение:
= 4,8 +
рНб – ?
V(СН3СООН)=50 мл
Сэ(СН3СООН)=0,1 моль/л
V(СН3СООNa)=100 мл
Сэ(СН3СООNa)=0,2 моль/л
рКа(СН3СООН/СН3СОО−)=4,8.
Ответ: рНацетатного буфера=5,4
Используем формулу для нахождения объема кислотного компонента, а затем и оснóвного:
V(
V(NaH
Краткое изложение задачи: Решение:
V(
V(NaH)
Ответ: V( V(NaHC
Краткое изложение задачи:
V(HCl)=5,0 мл
Решение:
Ответ: Вк = 0,033 моль/л
Н+
НО−
НОН
Показать механизм действия фосфатного буфера.
Ответ:
Защита от кислоты:
(в ионном виде)
Защита от щелочи:
(в ионном виде)
Na
Ответ: Сравним: в норме рНкрови7,4, а
Понижение рНкрови до 7,1 при нарушенном парциальном давлении свидетельствует о респираторном ацидозе. Причем, исходя из уравнения Гендерсона-Гассельбаха для бикарбонатного буфера (см. выше), мы видим четкую причинно-следсвенную связь: повышение парциального давления углекислого газа приводит к снижению рН. Дальнейшие действия врача – дифференцировать патологию органов дыхания и угнетение дыхательного центра.
Каковы причины такого нарушения?
Ответ: Сравним: в норме рНкрови7,4, а
Понижение рНкрови до 7,1 при нормальном парциальном давлении свидетельствует о метаболическом ацидозе. Причем, исходя из буферного уравнения Гендерсона-Гассельбаха (см. выше), можно предположить, что причиной ацидоза, по всей видимости является снижение щелочного резерва крови, в частности – бикарбонатов, гидрофосфатов. Дальнейшие действия врача – дифференцировать патологию органов пищеварения, кровообращения и почек.
Ответ: Сравним: в норме рНкрови7,4, а
Отсутствие изменений рНкрови при пониженном парциальном давлении свидетельствует о компенсированном ацидозе. По-видимому, за счет увеличения вентиляции легких и, таким образом, снижения содержания кислых компонентов удается компенсировать недостаток бикарбонатов, дигидрофосфатов. Тем самым, соотношение основных и кислых компонентов крови поддерживается постоянным. Дальнейшие действия врача – выяснить причину снижения щелочного резерва организма (дифференцировать патологию органов пищеварения, кровообращения и почек).
Тестированный контроль