Буферные растворы. (Лекция 5)

ЦЕЛИ ЛЕКЦИИ
ОБУЧАЮЩАЯ: сформировать знания о составе, механизме действия, расчете

Arrhenius 1884 г. (ТЭД): кислота - это электролит, диссоциирующий с образованием

Основные положения теории:
Кислота – частица (молекула или ион), отдающая протон в

Основные положения теории:

Кислота – частица (молекула или ион), отдающая протон в

H+

H+

H+

H+

Протолитическая теория кислот и оснований

Кислота – частица (молекула или ион), отдающая

H+

H+

H+

H+

Протолитическая теория кислот и оснований

Кислота – частица (молекула или ион), отдающая

Физиологически важные кислоты:
Угольная кислота (H2CO3)
Фосфорная кислота (H3PO4)
Пировиноградная кислота

2. Основание – частица (молекула или ион), присоединяющая протон в данной

Протолитическая теория кислот и оснований

Основание – частица (молекула или ион), присоединяющая

H+

H+

H+

H+

Протолитическая теория кислот и оснований

Основание – частица (молекула или ион), присоединяющая

Физиологически важные основания:
Гидрокарбонат-ион (HCO3- )
Гидрофосфат-ион (HPO4-2 )

Гидрофосфат

Гидрокарбонат

Протолитическая теория кислот и

Протолитическая теория кислот и оснований

3. Кислота и основание связаны в сопряженную

Кислота

Кислота

Основание

Основание

Протолитическая теория кислот и оснований

Протолитическая теория кислот и оснований.

4. Сильной сопряженной кислоте соответствует слабое сопряженной

Протолитическая теория кислот и оснований.

5. Кислоты-протолиты делят на 3 класса:
А) нейтральные
В)

Основания-протолиты также делятся на 3 класса:
Нейтральные NH3 + Н+ NH4+
B) Катионные

Кислота

Сопряж. осн-е

Основание

Сопряж. К-та

6. Амфолиты – протолиты, способные как принимать, так и

Константа кислотности.

7. Количественно сила кислот-протолитов характеризуется вероятностью переноса протона от кислоты

Константа кислотности.

Пример:

Константа кислотности.

Перемножим обе части уравнения на постоянную величину молярной концентрации воды:

На практике используют показатель константы кислотности (pKa):
Чем меньше значение pKa, тем

0.1 M HCl

0.1 M CH3COOH

Например:
1) Ka(HCl)=103
pKa(HCl) = -3 (сильная

Классификация буферных систем

Буферный
раствор

Классификация буферных систем

Способность буферных систем сохранять постоянство pH называется буферным

Классификация буферных систем

Кислые буферные системы состоят из слабой кислоты и

Классификация буферных систем

Карбонатная буферная система:
Н2СО3
NaНСО3
Фосфатная буферная

Классификация буферных систем

Основные буферные системы состоят из слабого основания и

Классификация буферных систем

Буферные системы в растворенном состоянии образуют буферные растворы.

Механизм буферного действия

Механизм буферного действия можно рассмотреть на примере ацетатной

Механизм буферного действия

При добавлении сильной кислоты, например HCl, в реакцию

Механизм буферного действия

При добавлении сильного основания, например NaОН, в реакцию

Таким образом, постоянство pH поддерживается за счет того, что избыток

Водородный показатель среды буферных растворов

В основе расчета pH буферных систем

Константа кислотности кислотно-основного равновесия диссоциации уксусной кислоты равна:
Отсюда:

Водородный показатель среды

Водородный показатель среды

Согласно принципу Ле Шателье-Брауна, присутствие в растворе СН3СООNa

Уравнение принимает вид:
Уравнение в логарифмической форме:

Водородный показатель среды

Водородный показатель среды

Водородный показатель среды

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для
основных буферных систем:

При разбавлении водой меняются концентрации соли и кислоты в одинаковой

Водородный показатель среды

Рабочие формулы уравнения Гендерсона-Гассельбаха:

Водородный показатель среды

Водородный показатель среды

Задача 1. Рассчитайте рН ацетатной буферной
системы, состоящей из

Зона буферного действия

Способность буферных растворов
противодействовать резкому изменению рН при

Зона буферного действия

Зона буферного действия – интервал значений pH, в

Величину, характеризующую способность буферной системы противодействовать смещению реакции среды при

Буферная емкость

V(X) – объем кислоты или основания, см3.
V1 – объем исходного

Если V1 = 1 дм3, ΔрН = 1, тогда
Величина буферной емкости

Буферные системы крови

Биологическая роль буферных систем
Буферные системы участвуют

Буферные системы крови

Кровь содержит шесть буферных систем.
Буферные системы крови:
Гемоглобиновая:

Гемоглобин

В сумме эти две системы обладают 75% буферной емкости крови.

3. Белковая буферная система:
Prot H H+ + Prot-
Prot Na Na+ +

В макромолекуле белка многочисленными отрицательные заряды сосредоточены на внешней стороне,

H+ ионы притягиваются к отрицательным зарядам.

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Буферные системы крови

OH- ионы притягиваются к положительным зарядам.

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

Буферные системы крови

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Буферные системы крови

Буферные системы крови

4. Система эфиров глюкозы и фосфорной кислоты
O
Глюкоза

Буферные системы крови

5. Карбонатная буферная система
Н2СО3 Н+ + НСО3 –

HCO3-

H2CO3

Буферные системы крови

HCO3-

H2CO3

Буферные системы крови

Кислотно-щелочное (кислотно-основное) состояние организма оценивают с помощью уравнения Гендерсона-Гассельбаха, выведенного

В крови Н2СО3 полностью разлагается на СО2 и Н2О, поэтому [Н2СО3]

Физиологическая норма
pH = 7,34-7,36
PCO2 = 4,7-5,3 кПа

Буферные системы крови

При задержке СО2 в крови, буферное отношение станет: ,
т.е.

Ацидоз

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Буферные системы крови

H+

pH

OH-

Если из организма очень быстро выводится СО2, то
В этом

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Буферные системы крови

Алкалоз

OH-

H+

pH

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

Буферные системы крови

Алкалоз

H+

pH

OH-

Таким образом, кислотно-щелочное состояние крови определяется величиной pH, концентрацией ионов

Регуляция кислотно-щелочного состояния

Поскольку в регуляции кислотно-щелочного состояния крови принимают участие легкие и почки,

Буферные системы крови

CO2 + H2O

H2CO3

H+ + HCO3-

Респираторный ацидоз

Респираторный алкалоз

Буферные системы

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Респираторный ацидоз

pH

CO2

Респираторный ацидоз

Гиповентиляция легких
Характеризуется уменьшением pH и увеличением CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

pH

pH

H2CO3

HCO3-

1

20

:

H2CO3

HCO3-

(Na+) HCO3-

(K+) HCO3-

(Mg++) (HCO3-)2

(Ca++) (HCO3-)2

Респираторный ацидоз

Физиологическая норма
, pH

CO2 задерживается в крови, pH < 7,34

H2CO3

HCO3-

1

10

:

CO2

CO2

CO2

CO2

Респираторный ацидоз

Почки компенсируют ацидоз за счет:
сохранения HCO3- -ионов;
увеличения экскреции ионов

Экскреция ионов водорода почками в норме

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

H+

Респираторный ацидоз

Перитубу-
лярные
капилляры

Клетки
почечных
канальцев

Тубулярная
жидкость

K+

K+

K+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

K+

K+

K+

K+

K+

Респираторный ацидоз

Экскреция ионов водорода почками при ацидозе

Клубочек
Капсула
Шумлянского-
Боумена
Проксимальные
и дистальные
извитые

Применение в терапии раствора молочной кислоты приводит к повышению HCO3--ионов

Респираторный алкалоз

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

pH

CO2

Гипервентиляция легких.
Характеризуется увеличением pH и снижением CO2.

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

Респираторный алкалоз

Кислотно-щелочное равновесие,
pH = 7,34-7,36

H2CO3

HCO3-

1

20

:

H2CO3

HCO3-

(Na+) HCO3-

(K+) HCO3-

(Mg++) (HCO3-)2

(Ca++) (HCO3-)2

Респираторный алкалоз

pHкрови > 7,36

=

7.36

0.5

20

:

=

7,36

Респираторный алкалоз

H2CO3

0.5

20

:

CO2

CO2

+ H2O

Респираторный алкалоз

Учащенное дыхание снижает концентрацию CO2, pH > 7,36.

0,5

15

:

HCO3-

Реакция мочи - щелочная

Респираторный алкалоз

Почки компенсируют алкалоз за счет:
сохранения ионов водорода;
увеличения элиминации гидрокарбонат-ионов.

H+

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Респираторный алкалоз

HCO3- -ионы замещают ионами Cl- .

H2CO3

HCO3-

0,5

10

:

Cl-

Раствор с ионами Cl-

Респираторный алкалоз

Проводится компенсационная

6) Фосфатная буферная система
КH2PO4 ↔ К+ + H2PO4 -

Na2HPO4 + H+ NaH2PO4 + Na+
Присутствует вне и внутри клетки,

Na2HPO4 + H+ NaH2PO4 + Na+

H+

Na2HPO4

+

NaH2PO4

Na+

+

Фосфатная буферная система имеет более высокую

HPO4-2

Фосфатная буферная система имеет наибольшее значение в таких биологических жидкостях,