IV. 8 Буферные растворы

Буферные растворы – это системы, рН которых практически не меняется при добавлении к ним небольших количеств кислот или щелочей или при разведении.

Буферные системы позволяют живому организму противодействовать влиянию внешних факторов, направленных как на снижение, так и на увеличение рН его жидких сред, сохранять гомеостаз.

Классификация буферных систем

1. Кислотные – буферные системы, содержащие слабую кислоту и ее соль (ацетатная, бикарбонатная, фосфатная, белковая, гемоглобиновая).

2. Основные – буферные системы, содержащие слабое основание и его соль (аммиачная).

3. Буферные системы, представляющие собой ионы и молекулы амфолитов (белковая).

Механизм буферного действия

(на примере бикарбонатной буферной системы).

При добавлении сильной кислоты:

NaHCO₃ + HCl → NaCl +H₂CO₃

Na⁺ + HCO₃ ^- + H⁺ + Cl^- → Na⁺ + Cl^- + H₂CO₃

HCO₃^- + H⁺ → H₂CO₃

При добавлении сильного основания:

H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O

H₂CO₃ + Na⁺ + OH^- → Na⁺ + HCO₃^- + H₂O

H₂CO₃ + OH^- → HCO₃^- + H₂O

Таким образом, буферное действие раствора обусловлено смещением кислотно-основного равновесия за счет связывания добавляемых в раствор ионов H⁺ и OH^-. В результате реакций ионов H⁺ и OH^- и компонентов буферной системы образуются слабодиссоциирующие продукты.

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для расчета рН буферных систем.

Для буферных систем кислотного типа:

Для буферных систем основного типа:

Буферная емкость характеризует способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении кислот и щелочей. Буферная емкость определяется количеством сильной кислоты или сильного основания (в моль или в моль эквивалента), при добавлении которого к одному литру буферного раствора значение рН меняется на единицу.

Вопросы для самоконтроля

1. Водородный показатель. Интервалы рН для различных биологических жидкостей.

2. Общая, активная и потенциальная кислотность раствора слабого электролита.

3. Понятие буферного раствора. Классификация буферных растворов. Свойства буферных растворов.

4. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для расчета рН буферных систем кислотного и основного типов.

5. Буферная емкость. Формулы для расчета буферной емкости по кислоте и по щелочи. Факторы, влияющие на буферную емкость.

Задания для самоконтроля

1. Распределите перечисленные системы по соответствующим столбцам таблицы.

а) С₆Н₅СООН + С₆Н₅СООК;

б) HCl + NaCl;

в)HCOOH + HCOONa;

г)HNO₃ +KNO₃; Д)HNO₂ + KNO₂.

Обладает буферным действием	Не обладает буферным действием

Дайте мотивированный ответ.

2. С помощью стрелок обозначьте соответствие между столбиками. Допишите сокращенные ионные уравнения, объясняющие механизм буферного действия систем.

Тип буферной системы	Буферная система	Состав буферной системы	Механизм буферного действия
Кислотная Основная Амфотерная	Ацетатная Белковая Бикарбонатная Аммиачная Фосфатная Формиатная	H2CO3 NaHCO3	H2CO3 + OH- → HCO3- + H2O HCO3- + H+ → H2CO3
		PtCOOH PtCOONa	PtCOOH + OH- → PtCOO- + H+ →
		NH4OH NH4Cl	NH4OH + H+ → NH4++ OH- →
		NaH2PO4 Na2HPO4	H2PO4 - + OH- → HPO42-+ H+ →
		HCOOH HCOOK	HCOOH+ OH- → HCOO-+ H+ →
		CH3COOH CH3COONa	CH3COOH+ OH- → CH3COO- + H+ →

3. Определите концентрацию протонов в растворе, полученном при смешивании 30 мл раствора CH₃COOH с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л и 50 мл раствора CH₃COONa с молярной концентрацией эквивалента 0,3 моль/л, если рК(CH₃COOH) = 4,75.

4. Рассчитайте рН раствора, полученного при смешивании 20 мл раствора HCl с молярной концентрацией эквивалента 0,05 моль/л и 20 мл раствора NaHCO₃ с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л, если рК(H₂CO₃) = 6,35.

5. Вычислите рН раствора, полученного путем смешивания 20 мл раствора азотистой кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0,05 моль/л и 30 мл раствора нитрита калия молярной концентрацией эквивалента 1,5 моль/л, если рКа = 3,29.

6. Вычислите рН раствора, содержащего по 0,5 моль эквивалента гидроксида аммония и хлорида аммония, рК (NH₄OH) = 4,75. Как изменится рН при добавлении к одному литру этого раствора

• 0,1 моль эквивалента КOH;

• 0,1 моль эквивалента HCl;

• при разбавлении водой в 10 раз?

7. Каково соотношение количества вещества уксусной кислоты и ацетата калия в буферном растворе с рН = 4,75, если рК(CH₃COOH) = 4,75.

8. Сколько миллилитров раствора NH₄Cl с молярной концентрацией эквивалента 0,5 моль/л следует прибавить к 100 мл раствора NH₄OH с молярной концентрацией эквивалента 0,2 моль/л, чтобы получить буферную систему с рН= 9,25, если рК (NH₄OH) = 4,75.

9. Определите рН раствора, полученного при смешивании 50 мл раствора дигидрофосфата калия с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л и 15 мл раствора гидрофосфата калия с молярной концентрацией эквивалента 0,2 моль/л, если рК(H₂PO₄^-) = 7,21. Приведите механизм действия данной буферной системы.

10. К 2 мл раствора уксусной кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0,4 моль/л добавили 3 мл раствора гидроксида натрия с молярной концентрацией эквивалента 0,2 моль/л. Вычислить концентрацию протонов и рН полученной смеси.

11. Рассчитайте буферную емкость аммиачного буфера, если при добавлении 0,001 моль эквивалента HCl к 100 мл этого раствора значение его рН уменьшилось на 0,09.

12. Составьте конспект для ответа по вопросам:

А) Роль буферных растворов в организме человека.

Б) Роль гидрокарбонатного буферного раствора при поддержании постоянства рН крови, нарушаемого процессами дыхания.