Реферат: буферные растворы в живых организмах

Кислоты от обмена веществ нейтрализуются бикарбонатом. При рН около 7,4 бикарбонат-ион преобладает в организме, и его концентрация может быть в 20 раз выше, чем концентрация углекислоты. По своей природе углекислота очень нестабильна и сразу же после своего образования расщепляется на углекислый газ и воду. Реакции образования и последующего быстрого разложения углекислоты в организме настолько совершенны, что им часто не придают особого значения. Эти реакции катализируются ферментом карбоангидразой, который содержится в эритроцитах и ​​почках. В зависимости от условий обе реакции могут идти в ту или иную сторону.Если в замкнутой системе появляется избыток углекислого газа, равновесие этих реакций сдвигается влево, что приводит к незначительному снижению pH. Особенность бикарбонатной буферной системы в том, что она открыта. Избыток ионов водорода связывается с бикарбонатом, образующийся углекислый газ стимулирует дыхательный центр, усиливается вентиляция легких, а избыток углекислого газа удаляется во время дыхания. Так организм поддерживает баланс pH. Чем больше ионов водорода образуется в клетках, тем больше расход бикарбонатного буфера. На этой стадии обмена веществ соединяются почки, которые удаляют избыток ионов водорода, а количество бикарбоната в организме восстанавливается.Некарбонатные буферные системы активно функционируют в крови и в клетках. Фосфатный буфер может действовать как в органических молекулах, так и в виде свободных ионов. Одна из его молекул способна связывать до трех катионов водорода. Белки могут присоединять как кислотные, так и основные группы к своей полипептидной цепи.Буферная емкость белковой буферной системы может охватывать широкий диапазон рН. В зависимости от доступного значения pH он может связывать как гидроксильные группы, так и ионы водорода. Третья часть буферной емкости крови - гемоглобин. Каждая молекула гемоглобина может нейтрализовать несколько ионов водорода. Когда кислород попадает из гемоглобина в ткани, способность гемоглобина связывать ионы водорода увеличивается, и наоборот: когда гемоглобин насыщается кислородом в легких, он теряет присоединенные ионы водорода. Высвобожденные ионы водорода реагируют с бикарбонатом с образованием углекислого газа и воды. Образующийся углекислый газ удаляется из легких путем дыхания. Этот пример иллюстрирует процесс восстановления некарбонатных буферных систем с использованием бикарбонатной буферной системы.

Этот процесс можно рассматривать как цепочку реакций, в результате которых ион водорода перемещается между различными буферными системами, в конечном итоге достигая бикарбонатного буфера.Как описано выше, кислоты, образующиеся в результате метаболизма, немедленно попадают под контроль различных буферных систем. Это предотвращает резкие изменения рН внутренней среды организма. Образующийся углекислый газ выделяется через легкие во время дыхания, а нелетучие кислоты могут выводиться только почками.Поддержание буферной емкости организма и восстановление различных буферных систем происходит за счет восстановления уровня бикарбоната в сыворотке. Этот процесс происходит в почках.На первом этапе образования мочи (клубочковая фильтрация) образуется ультрафильтрат плазмы, представляющий собой первичную мочу, схожую по составу с плазмой. Первичная моча содержит значительное количество бикарбоната, который организм должен хранить. Поэтому, когда уровень бикарбоната в плазме падает ниже физиологических показателей, в проксимальных канальцах почек при участии фермента карбоангидразы начинается процесс реабсорбции ионов бикарбоната, отфильтрованных в клубочках.Но одного только сохранения бикарбоната недостаточно, поскольку большое его количество расходуется на восстановление других буферов в организме и теряется при дыхании в виде углекислого газа. Количество бикарбоната в организме должно постоянно пополняться. Этот процесс проводится в дистальных канальцах с участием карбоангидразы. В этом случае ионы водорода выделяются в мочу, которые связываются с фосфатами или аммонием в трубчатом фильтрате, а ионы бикарбоната возвращаются в кровь. Существует секреция нелетучих кислот и восстановление бикарбоната.В результате описанных выше процессов предотвращается потеря бикарбоната в моче и образуются дополнительные количества бикарбонат-ионов, что соответствует эндогенной продукции катионов водорода. При нормальных условиях физиологический уровень бикарбоната в крови восстанавливается (24 - 27 моль / л).Ухудшение почечной функции приводит к снижению секреции ионов водорода и реабсорбции бикарбоната, в организме накапливаются кислоты, а уровень бикарбоната в плазме падает ниже физиологической нормы. На начальной стадии почечной недостаточности из-за гипервентиляции физиологический уровень рН в плазме может поддерживаться в течение некоторого времени, хотя затем метаболический ацидоз все же развивается.

Чтобы снизить кислотную нагрузку и улучшить самочувствие пациентов на этой стадии почечной недостаточности, назначают белково-ограниченную диету и бикарбонатные таблетки.По мере прогрессирования почечной недостаточности все имеющиеся в организме буферы, включая карбонат, содержащийся в костях, участвуют в обмене веществ. Позже, когда симптомы становятся опасными для жизни, требуется диализное лечение.Несмотря на усилия врачей, большинство пациентов на диализе постоянно находятся в состоянии метаболического ацидоза. Это объясняется тем, что при гемодиализе они не корректно корректируют кислотно-основное состояние.В результате различных обменных процессов в нашем организме постоянно образуются различные кислоты. Они немедленно нейтрализуются буферными системами, из которых наиболее важным является бикарбонат. Для поддержания постоянного уровня рН внутренней среды организма, бикарбонат потребляется, что требует его постоянной регенерации. Обычно этот процесс происходит в почках. У пациентов с почечной недостаточностью диализ заменяет функцию почек, и буферная емкость крови восстанавливается путем включения в буферный раствор различных источников буфера, наиболее физиологическим из которых является бикарбонат. Из-за недостаточной корреляции кислотно-основного состояния во время сеанса гемодиализа многие диализные пациенты постоянно находятся под влиянием метаболического ацидоза.Практическая частьПриготовление буферных растворовВ лабораторной практике используются буферные растворы с ранее известными значениями рН. Так, приготовление буферных растворов осуществляется с использованием растворов слабой кислоты и ее соли с сильным основанием или слабого основания и ее соли с сильной кислотой. Затем, изменяя количественные соотношения компонентов, готовят буферные растворы с заданным значением рН. Например, вам нужно приготовить ацетатный буфер с несколькими значениями pH. Сначала готовят 5М растворы ацетатной кислоты и ацетата натрия. Чтобы приготовить первый раствор, возьмите 50 мл каждого из компонентов. Руководствуясь формулой, определяется концентрация ионов H + в полученном растворе. Для следующего буферного раствора, например, берут 80 мл раствора кислоты и 20 мл раствора соли, приготовленного ранее. Существуют методы приготовления различных буферных растворов, используемые в химическом анализе и лабораторной практике.

Мы будем готовить боратный буферный раствор (рН = 9,3-11). Боратный буферный раствор представляет собой смесь растворов щелочи (NaOH) и тетрабората натрия (Na2B4O7 * 10H2O). Способ приготовления: поместите раствор NaOH (0,1 М) с объемом, указанным в таблице 1, в колбу объемом 100 мл и разбавьте раствором тетрабората натрия (0,05 М) до отметки

pH	V,мл	pH	V,мл	pH	V,мл	pH	V,мл
9.3	8.9	9.8	38.2	10.3	40.0	10.8	49.1
9.4	15.4	9.9	39.9	10.4	45.2	10.9	49.5
9.5	21.0	10.0	41.1	10.5	46.3	11.0	49.9
9.6	26.8	10.1	42.3	10.6	47.2
9.7	34.3	10.2	43.0	10.7	48.6

Таблица 1. Соотношение объемов NaOH и значений pH боратного буфера[15].В нашем эксперименте мы готовили боратный буфер (pH = 9.9) и затем сравнили данные полученные теоретически и практически полученное значение pH приготовленного буфера.Для того чтобы приготовить боратный буфер мы использовали 0.1М раствор NaOH и 0.05М раствор Na2B4O7*10H2O.Реактивы, посуда, оборудование:Реактивы: NaOHNa2B4O7*10H2OПосуда: мерные колбы на 100 млворонкабюксыОборудование: аналитические весы ВЛР-200УЛК «Химия»Приготовление раствора гидроксида натрияРасчет навески NaOH, которую нужно взять для приготовления 100 мл 0.1М раствора:0.1 моль - 1000 млХ моль - 100 млХ = 0.01 мольM (NaOH) = 39.997 г/мольm (NaOH) = 0.01*39.997 = 0.39997 гВзятие навески NaOH

m (бюкс техн.)	m (бюкс аналит.)	m (бюкс+в-во)	m (вещества)
18.470г	18.4372г	18.8237г	0.3865г

m (NaOH) = 0.3865 гРастворяем навеску щелочи в колбе на 100 мл и тщательно перемешиваем. С (NaOH) = m (NaOH) / V*M(NaOH)С (NaOH) = 0.3865/0.1*39.997 = 0.097МПриготовление раствора тетрабората натрияРасчет навески тетрабората натрия (Na2B4O7*10H2O), которую нужно взять для приготовления 100 мл 0.05М раствора:0.05 моль - 1000 млХ моль - 100 млХ = 0.005 мольM (Na2B4O7*10H2O) = 381.3654 г/мольm (Na2B4O7*10H2O) = 0.005*381.3654 = 1.9068 гВзятие навески Na2B4O7*10H2O

m (бюкс техн.)	m (бюкс аналит.)	m (бюкс аналит.)	m (бюкс аналит.)
16.905г	16.8974г	18.8134г	1.916г

m (Na2B4O7*10H2O) = 1.916 гРастворяем навеску тетрабората натрия в колбе на 100 мл и тщательно перемешиваем.С (Na2B4O7*10H2O) = m (Na2B4O7*10H2O) / V*M(Na2B4O7*10H2O)С (Na2B4O7*10H2O) = 1.916/0.1*381.3654 = 0.0503М3.4 Расчет значения pHТак как наша концентрация растворов немного отличается от той, которая представлена в литературных источниках, то необходимо провести перерасчет значения pH.Для получения раствора с pH = 9.9 необходимо 39.9 мл 0.1M раствора щелочи (см. Таблица 1).39.9 мл - 0.1МХ мл - 0.097МХ = 38.703 мл38.703 мл 0.097М раствора щелочи требуется для pH = 9.9. Мы использовали 40 мл NaOH.38.703 мл для приготовления раствора с pH= 9.940 мл для приготовления раствора с pH=YY= 10.2323.5 Измерение pH полученного буфераДля точного измерения значения водородного показателя среды мы используем прибор УЛК «Химия».Значение pH раствора мы будем искать по формуле:E= E' - (17.58*pH)/t t(оК)Чтобы определить потенциал мы используем стандартный раствор тетрабората натрия с установленным pH=9.2. Стандартный раствор наливаем в сухой стеклянный стакан и опускаем в него электроды.E = -0.2939t = 298.431KДалее найдем E':- 0.2939 = E' - (17.58*9.2)/298.431E' = 0.248Для дальнейшей работы с прибором, необходимо промыть электроды дистиллированной водой. Полученный буферный раствор наливаем в сухой стеклянный стакан и опускаем в него электроды.E = -0.3335t = 298.309KНайдем значение pH:- 0.3335 = 0.248 - (17.58*pH) / 298.309pH = 9.87Значение водородного показателя среды для приготовленного боратного буферного раствора составило 9.87.Рассчитаем относительную ошибку, которая была допущена в ходе эксперимента.А = Х найд - Х истА = 10.232 - 9.87 = 0.362О = (А/Х ист)*100%О = (0.362/10.232)*100% = 3.54%В ходе эксперимента нами была допущена относительная ошибка равная 3.54%.