Материал: полезная метода

карбонатная буферная система СО32– /НСО3– в растворе Na2CO3 и NaHCO3, область ее действия рН 9,3–11,3.

фосфатная буферная система НРО42–/Н2РО4– в растворе Nа2НРО4 и NаН2РО4, область ее действия рН 6,2–8,2. Эти солевые буферные системы можно отнести к 1-му типу так как одна из солей этих буферных систем выполняет функцию слабой кислоты. Так, в фосфатной буферной системе анион Н2РО4– является слабой кислотой.

4. Ионы и молекулы амфолитов. К ним относят аминокислотные и белковые буферные системы. Если аминокислоты или белки находятся в изоэлектрическом состоянии (ИЭС, т.е.суммарный заряд молекулы равен нулю), то растворы этих соединений не являются буферными. Они начинают проявлять буферное действие, когда к ним добавляют некоторое количество кислоты или щелочи. Тогда часть белка (аминокислоты) переходит из ИЭС в форму “белок-кислота” или соответственно в форму “белок-основание”. При этом образуется смесь двух форм белка: (R – макромолекулярный остаток белка).

В буферных растворах, состоящих из кислот и их солей, pH имеет порядок

pKa ± 0,6. Достаточно точно величину pH можно рассчитать по формулам

или ,

где pKa — отрицательный логарифм константы диссоциации кислоты; Cан — концентрация аниона кислоты моль/л, а Ск — концентрация кислоты, моль/л.

На основе фосфорной кислоты и ее солей можно приготовить фосфатные буферные растворы, имеющие pH1 ≈ pK1 = 2,12 (состав: H3PO4

и KH2PO4); pH2 ≈ pK2 = 7,21 (состав: KH2PO4 и Na2HPO4); pH3 ≈ ≈ pK3 = 12,36 (состав: Na2HPO4 и Na3PO4). Из фосфатных буферных растворов наиболее часто применяются растворы с pH ≈ 7. Однако фосфатные буферные растворы имеют тот существенный недостаток, что многие ионы металлов образуют с фосфат-ионами осадки малорастворимых солей.

Для аммиачного буферного раствора pH рассчитывают по формулам:

;

.

Для точных расчетов pH буферных растворов можно рекомендовать введение коэффициентов активностей, так как константы диссоциации слабых кислот, как правило, термодинамические.

71

Уравнение Гендерсона–Гассельбаха позволяет сформулировать ряд важных выводов:

1.рН буферных растворов зависит от отрицательного действия логарифма константы диссоциации слабой кислоты рКа или основания рКв

иот отношения концентраций компонентов кислотно-основные пары, но практически не зависит от разбавления раствора водой.

Следует отметить, что постоянство рН хорошо выполняется при малых концентрациях буферных растворов. При концентрациях компонентов выше 0, 1 моль/ л необходимо учитывать коэффициенты активности ионов системы.

2.Значение рКа любой кислоты и рКв любого основания можно вычислить по измеренному рН раствора, если известны молярные концентрации компонентов.

Кроме того, уравнение Гендерсона–Гассельбаха позволяет рассчитать рН буферного раствора, если известны значения рКа и молярные концентрации компонентов.

3.Уравнение Гендерсона–Гассельбаха можно использовать и для того, чтобы узнать, в каком соотношении нужно взят компоненты буферной смеси, чтобы приготовить раствор с заданным значением рН.

§2. Буферная емкость.

Способность буферного раствора сохранять рН по мере прибавления сильной кислоты или приблизительно на постоянном уровне далеко небеспредельна и ограничена величиной так называемой буферной емкости В. За единицу буферной емкости обычно принимают емкость такого буферного раствора, для изменения рН которого на единицу требуется введение сильной кислоты или щелочи в количестве 1 моль эквивалента на 1л раствора. То есть это величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении сильных кислот или сильных оснований.

pH Vб

Буферная емкость, как следует из ее определения, зависит от ряда факторов:

Чем больше количества компонентов кислотно-основной пары основание/ сопряженная кислота в растворе, тем выше буферная емкость этого раствора (следствие закона эквивалентов).

Буферная емкость зависит от соотношения концентраций компонентов буферного раствора, а следовательно, и от рН буферного раствора.

72

При рН = рКа отношение с (соль)/ с (кислота) = 1, то есть в растворе имеется одинаковое количество соли и кислоты. При таком соотношении концентраций рН раствора изменяется в меньшей степени, чем при других, и, следовательно, буферная емкость максимальна при равных концентрациях компонентов буферной системы и уменьшается с отклонением от этого соотношения. Буферная емкость раствора возрастает по мере увеличения концентрации его компонентов и приближения соотношения [HAn]/ [KtAn] или [KtOH]/ [KtAn] к единице.

Рабочий участок буферной системы, т. е. способность противодействовать изменению рН при добавлении кислот и щелочей, имеет протяженность приблизительно одну единицу рН с каждой стороны от точки рН = рКа. Вне этого интервала буферная емкость быстро падает до 0. Интервал рН = рКа ± 1 называется зоной буферного действия.

Общая буферная емкость артериальной крови достигает 25, 3 ммоль/ л; у венозной крови она несколько ниже и обычно не превышает 24, 3 ммоль/ л.

§3. Кислотно-щелочное равновесие и главные буферные системы в организме человека

Организм человека располагает тонкими механизмами координации происходящих в не физиологических и биохимических процессов и поддержания постоянства внутренней среды (оптимальных значений рН и уровней содержания различных веществ в жидкостях организма, температуры, кровяного давления и т. д.). Примером гомеостазиса является стремление организма к сохранению постоянства температуры, энтропии, энергии Гиббса, содержания в крови и межтканевых жидкостях различных катионов, анионов, растворенных газов и др., величины осмотического давления и стремление поддерживать для каждой из его жидкостей определенную оптимальную концентрацию ионов водорода. Сохранение постоянства кислотности жидких сред имеет для жизнедеятельности человеческого организма первостепенное значение, потому что, во-первых, ионы Н+ оказывают каталитическое действие на многие биохимические превращения; во-вторых, ферменты и гормоны проявляют биологическую активность только в строго определенном интервале значений рН; в- третьих, даже небольшие изменения концентрации ионов водорода в крови и межтканевых жидкостях ощутимо влияют на величину осмотического давления в этих жидкостях.

Нередко отклонения рН крови от нормального для нее значения 7,36 всего лишь на несколько сотых приводят к неприятным последствиям. При отклонениях порядка 0,3 единицы в ту или другую сторону может наступит тяжелое коматозное состояние, а отклонения порядка 0,4 единицы могут повлечь даже смертельный исход. Впрочем, в некоторых

73

случаях, при ослабленном иммунитете, для этого оказывается достаточными и отклонения порядка 0,1 единицы рН.

Особенно большое значение буферных систем имеют в поддержании кислотно-основного равновесия организма. Внутриклеточные и внеклеточные жидкости всех живых организмов, как правило, характеризуются постоянным значением рН, которое поддерживается с помощью различных буферных систем. Значение рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,8 до 7,8.

Кислотно-основное равновесие в крови человека обеспечивается бикарбонатной, фосфатной, гемоглобиновой и белковой буферными системами.

Нормальное значение рН плазмы крови составляет 7,40 ± 0,05. Этому соответствует интервал значений активной кислотности а (Н+) от 3,7 до 4,0 ´ 10-8 моль/л. Так как в крови присутствуют различные электролиты - НСО3–, Н2СО3, НРО42–, Н2РО4–, белки, аминокислоты, это означает, что они диссоциируют в такой степени, чтобы активность а (Н+) находилась в указанном интервале.

1. Водородкарбонатная (гидро-, бикарбонатная) буферная система НСО3–/Н2СО3 плазмы крови характеризуется равновесием молекул слабой угольной кислоты Н2СО3 с образующимися при ее диссоциации гидрокарбонат-ионами НСО3-(сопряженное основание):

НСО3- + Н+ Н2СО3 НСО3- + Н2О Н2СО3 + ОН-

В организме угольная кислота возникает в результате гидратации диоксида углерода – продукта окисления углеводов, белков и жиров. Причем процесс этот ускоряется под действием фермента карбоангидразы:

СО2(р) + Н2О Н2СО3 Равновесная молярная концентрация в растворе свободного диоксида

углерода при 298, 15 К в 400 раз выше, чем концентрация угольной кислоты [Н2СО3]/ [СО2] = 0, 00258.

Между СО2 в альвеолах и водородкарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка

водордкарбонатного буфера определяется отношением концентрации кислоты Н2СО3 и соли NaНСО3.

Согласно цепочке равновесий содержание Н2СО3 определяется концентрацией растворенного СО2, которая по пропорциональна

74

парциальному давлению СО2 в газовой фазе (по закону Генри): [СО2]р = Кгр(СО2). В конечно счете оказывается, что с (Н2СО3) пропорциональна р(СО2).

Водородкарбонатная буферная система действует как эффективный физиологический буферный раствор вблизи рН 7,4.

При поступлении в кровь кислот – доноров Н+ равновесие 3 в цепочке по принципу Ле Шателье смещается влево в результате того, что ионы НСО3- связывают ионы Н+ в молекулы Н2СО3. При этом концентрация Н2СО3 повышается, а концентрация ионов НСО3- соответственно понижается. Повышение концентрации Н2СО3, в свою очередь, приводит к смещению равновесия 2 влево. Это вызывает распад Н2СО3 и увеличении концентрации СО2, растворенного в плазме. В результате смещается равновесие 1 влево и повышается давление СО2 в легких. Избыток СО2 выводится из организма.

При поступлении в кровь оснований – акцепторов Н+ сдвиг равновесий в цепочке происходит в обратной последовательности.

В результате описанных процессов водородкарбонатная система крови быстро приходит в равновесие с СО2 в альвеолах и эффективно обеспечивает поддержание постоянства рН плазмы крови.

Вследствие того, что концентрация NaНСО3 в крови значительно превышает концентрацию Н2СО3, буферная емкость этой системы будет значительно выше по кислоте. Иначе говоря, водокарбонатная буферная система особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотност крови. К числу таких веществ, прежде всего, относят молочную кислоту HLac, избыток которой образуется в результате интенсивной физической нагрузки. Этот избыток нейтрализуется в следующей цепочке реакций:

NaНСО3 + HLac NaLac + Н2СО3 Н2О + СО2(р) СО2(г)

Таким образом, эффективно поддерживается нормальное значение рН крови при слабо выраженном сдвиге рН, обусловленным ацидозом. В замкнутых помещениях часто испытывают удушье – нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько с недостатком кислорода, сколько с избытком СО2. Избыток СО2 в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО2 в крови (согласно закону Генри), а это приводит к понижению рН крови, т. е. к ацидозу (уменьшение резервной щелочности).

Водородкарбонатная буферная система наиболее "быстро" отзывается на изменение рН крови. Ее буферная емкость по кислоте составляет Вк = 40 ммоль/л плазмы крови, а буферная емкость по щелочи значительно меньше и равна примерно Вщ = 1 – 2 ммоль/л плазмы крови.

2. Фосфатная буферная система НРО42–/Н2РО4– состоит из слабой кислоты Н2РО4– и сопряженного основания НРО42–. В основе ее действия

75