Материал: полезная метода

лежит кислотно-основное равновесие, равновесие между гидрофофсфат- и дигидрофосфат-ионами:

НРО42– + Н+ Н2РО4– НРО42– + Н2О Н2РО4– + ОН-

Фосфатная буферная система способа сопротивляться изменению рН в интервале 6,2 – 8,2, т. е. обеспечивает значительную долю буферной емкости крови.

Из уравнения Гендерсона–Гассельбаха для этой буферной системы следует, что в норме при рН 7,4 отношение концентраций соли (НРО42–) и кислоты (Н2РО4–) примерно составляет 1.6.

Фосфорная буферная система имеет более высокую емкость по кислоте, чем по щелочи. Поэтому она эффективно нейтрализует кислые метаболиты, поступающие в кровь, например молочную кислоту HLac:

НРО42– + HLac Н2РО4– + Lac–

Однако различия буферной емкости данной системы по кислоте и щелочи не столь велики, как у водородкарбонатной: Вк = 1 –2 ммоль/ л; Вщ = 0, 5 ммоль/ л. Поэтому фосфатная система в нейтрализации как кислых, так и основных продуктов метаболизма. В связи с малым содержанием фосфатов в плазе крови она менее мощная, чем вородкарбонатная буферная система.

3. Буферная система оксигемоглобин-гемоглобин, на долю которой приходится около 75% буферной емкости крови, характеризующаяся равновесием между ионами гемоглобина Hb– и самим

гемоглобином HНb, являющимся очень слабой кислотой

(КHНb = 6, 3·10-9; рКHНb = 8,2). Hb– + Н+ HНb

Hb– + Н2О HНb + ОН–

а также между ионами оксигемоглобина HbО2– и самим оксигемоглобином HНbО2, который является несколько более сильной, чем гемоглобин,

кислотой

(КHНbО2 = 1.12·10–7; рКHНbО2 = 6, 95): HbО2– + Н+ HНbО2

HbО2– + Н2О HНbО2 + ОН–

Гемоглобин HНb, присоединяя кислород, образует оксигемоглобин HНbО2

HНb + О2 HНbО2

и, таким образом, первые два равновесия взаимосвязаны со следующими двумя.

4. Белковая буферная система состоит из "белка-основания" и "белка-соли".

СОО– СОО-

76

Соответствующее кислотно-основное равновесие в средах, близких к нейтральным, смещено влево и "белок-основание" преобладает.

Основную часть белков плазмы крови (»90%) составляют альбумины

иглобулины. Изоэлектрические точки этих белков (число катионных и анионных групп одинаково, заряд молекулы белка равен нулю) лежат в слабокислой среде при рН 4,9 – 6,3, поэтому в физиологических условиях при рН 7,4 белки находятся преимущественно в формах "белок-основание"

и"белок-соль".

Буферная емкость, определяемая белками плазмы, зависит от концентрации белков, их вторичной и третичной структуры и числа свободных протон-акцепторных групп. Эта система может нейтрализовать как кислые, так и основные продукты. Однако вследствие преобладания формы "белок-основание" ее буферная емкость значительно выше по кислоте и составляет для альбуминов Вк = 10 ммоль/л, а для глобулинов Вк = 3 ммоль/л.

Буферная емкость свободных аминокислот плазмы крови незначительна как по кислоте, так и по щелочи. Это связано с тем, что почти все аминокислоты имеют значения рКа, очень далекие от рКа = 7. Поэтому при физиологическом значении рН их мощность мала. Практически только одна аминокислота – гистидин (рКа = 6,0) обладает значительным буферным действием при значениях рН, близких к рН плазмы крови.

Таким образом, мощность буферных систем плазмы крови уменьшается в направлении

НСО3-/ Н2СО3 > белки > НРО42-/ Н2РО4– Эритроциты. Во внутренней среде эритроцитов в норме

поддерживается постоянное рН, равное 7,25. Здесь также действуют водородкарбонатная и фосфатная буферные системы. Однако их мощность отличается от таковой в плазме крови. Кроме того, в эритроцитах белковая система гемоглобин-оксигемоглобин играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них метаболической СО2), так и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом. Необходимо отметит, что эта буферная система в эритроцитах тесно связана с водородкарбонатной системой. Т. к. рН внутри эритроцитов 7,25, то соотношение концентраций соли (НСО3-) и кислоты (Н2СО3) здесь несколько меньше, чем в плазме крови. И хотя буферная емкость этой системы по кислоте внутри эритроцитов несколько меньше, чем в плазме, она эффективно поддерживает постоянство рН.

77

Фосфатная буферная емкость играет в клетках крови гораздо более важную роль, чем в плазме крови. Прежде всего, это связано с большим содержанием в эритроцитах неорганических фосфатов. Кроме того, большое значение в поддерживании постоянства рН имеют эфиры фосфорных кислот, главным образом фосфолипиды, составляющие основу мембран эритроцитов.

Фосфолипиды являются относительно слабыми кислотами. Значения рКа диссоциации фосфатных групп находятся в пределах от 6,8 до 7,2. Поэтому при физиологическом рН 7,25 фосфолипиды мембран эритроцитов находятся как в виде неионизированных, так ионизированных форм. Иначе говоря, в виде слабой кислоты и ее соли. При этом соотношение концентраций соли и слабой кислоты составляет примерно (1,5 – 4) : 1. Следовательно, сама мембрана эритроцитов обладает буферным действием, поддерживая постоянство рН внутренней среды эритроцитов.

Таким образом, в поддержании постоянства кислотно-щелочного равновесия в крови участвует ряд буферных систем, обеспечивающих кислотно-основной гомеостаз в организме.

В современной клинической практике кислотно-щелочное равновесие (КЩР) организма обычно определяют путем исследования крови по микрометоду Аструпа и выражают в единицах ВЕ (от лат. "биэксцесс" – избыток оснований). При нормальном кислотно-щелочном состоянии организма ВЕ = 0 (в аппарате Аструпа этому значению ВЕ отвечает рН 7,4).

При значениях ВЕ от 0 до ± 3 КЩС организма считается нормальным, при ВЕ = ± (6 – 9) – тревожным, при ВЕ = ± (10 – 14) – угрожающим, а при абсолютном значении ВЕ, превышающим 14, - критическим.

Для коррекции КЩР при ВЕ<0 (ацидоз) чаще используют 4%-ный раствор гидрокарбонаната натрия, который вводят внутривенно. Необходимый объем этого раствора в мл рассчитывают по эмпирической формуле v = 0,5mВЕ, где m – масса тела, кг.

Если состояние ацидоза возникло в результате кратковременной остановки сердца, то объем 4%-ного раствора NаНСО3 (в мл), необходимый для компенсации сдвига КЩР в кислую область, рассчитывают по формуле v = m z, где z – продолжительность остановки сердца, мин.

Коррекция КЩР при алкалозе более сложна и требует учета многих привходящих обстоятельств. В качестве одной из временных мер целесообразно введение от 5 до 15 мл 5%-го раствора аскорбиновой кислоты.

Метод кислотно-основного титрования в одном из своих вариантов (алкалиметрия) позволяет определять количества кислот и

78

кислотообразующих веществ (солей, составленных из катиона слабого основания и аниона сильной кислоты и т. п.) с помощью растворов щелочной известной концентрации, называемых рабочими. В другом варианте (ацидиметрия) этот метод позволяет определять количества оснований и веществ основного характера (оксидов, гидридов и нитридов металлов, органических аминов, солей, составленных из катионов сильных оснований и анионов слабых кислот и т. п.) с помощью рабочих растворов кислот.

Метод кислотно-основного титрования используется в практике клинических, судебно-экспертных и санитарно-гигиенических исследований, а также при оценке качества лекарственных препаратов.

§4. Примеры решения типовых задач.

1. Сколько 0,5 М раствора ацетата натрия CH3COONa нужно прибавить к 100 мл 2М раствора уксусной кислоты СН3СООН, чтобы получить рН=4? (рКСН3СООН = 4,76).

Решение 1) В соответствии с уравнением Гендерсона-Гассельбаха

рН = рК lg(Cкисл/Ссоли)

lg(Cкисл/Ссоли) = рК рН = 4,76 4,00 = 0,76

Скисл/Ссоли = 5,754.

Т.к. в 100 мл 2 М раствора содержится 0,2 моля СН3СООН, получаем

0,2моль / Ссоли = 5,754; Ссоли = 0,2моль / 5,754 = =0,03475 моль.

Находим объем раствора концентрацией 0,5 М, в котором содержится 0,03475 моль СН3СООNa.

V0.03475моль 0,0695л 69,5мл

0.5моль/ л

2.Рассчитайте рН буферного раствора, полученного смешиванием

20,0 мл 0,100 моль/л уксусной кислоты и 30,0 мл 0,100 моль/л ацетата натрия. Коэффициенты активности ионов примите равными 1,00.

Решение:

Раствор, содержащий слабую уксусную кислоту СН3СООН и сопряженное основание СН3СОО– (ацетат-ион из ацетата натрия), является ацетатным буферным раствором.

1. Записываем уравнение протолитического равновесия в буферной

системе: СН3СООН(a) + H2O H3O+ + СН3СОО–(b)

2. Рассчитываем молярные концентрации уксусной кислоты и ацетата натрия в смеси:

79

0,100 20,0 0,0400моль/л

20,0 30,0

Cb C*(CH3COONa) C(CH3COONa) V(CH3COONa)

V(CH3COOH) V(CH3COONa)

0,100 30,0 0,0600моль/л

20,0 30,0

3.Рассчитываем равновесную концентрацию ионов оксония:

4. Вычисляем рН раствора:

рН = – lg a(H3O+) = – lg[H3O+] = – lg 1,17·10-5 = 4,93

3. Рассчитайте рН буферного раствора, полученного смешиванием равных объемов 0,200 моль/л гидрофосфата натрия и 0,300 моль/л ортофосфата натрия. Коэффициенты активности ионов примите равными 1,00 (Ка(НPO42–) = 4.68·10–13).

Решение: Раствор, содержащий слабую кислоту – HPO42– (ион HPO42– из гидрофосфата натрия) и сопряженное основание PO43– (ион PO43– из ортофосфата натрия), является ортофосфатным буферным раствором.

Помните, что в паре кислота – сопряженное основание, кислотой является частица с большим числом атомов водорода.

1. Записываем уравнение протолитического равновесия в буферной

системе:

HPO42–(a) + H2O H3O+ + PO43–(b)

2. Рассчитываем молярные концентрации гидрофосфата натрия и ортофосфата натрия в смеси:

Ca = 12 C(Na2HPO4) = 12 0,200= 0,100 моль/л

Cb =12 С(Na3PO4) = 12 0,300 = 0,150 моль/л

3. Вычисляем рН раствора, используя уравнение ГендерсонаГассельбаха:

§5. Задания для самостоятельного решения.

1. Рассчитайте рН буферного раствора, полученного смешиванием равных объемов 0,200 моль/л муравьиной кислоты и 0,300 моль/л формиата натрия. Коэффициенты активности ионов примите равными

1,00. Ответ: 3,93.

2. Рассчитайте рН буферного раствора, полученного смешиванием 30,0 мл 0,100 моль/л гидрокарбоната натрия и 20,0 мл 0,100 моль/л

80