Определение, значение и примеры буферных растворов

Введение

Перед началом необходимо дать четкое химическое определение буферным растворам.

Определение: Буферные растворы (буферы) — растворы с заданными значениям среды (pH), которые сохраняться при добавлении посторонних веществ или разбавлении.

Таким образом, буфер сохраняет определенную среду. В нем находятся компоненты, которые способны связывать добавленные катионы водорода (Н+) или гидроксид-анионы (ОН-). Характеризуется данная способностью физико-химической величиной — буферной емкостью.

Виды буферных растворов

Разберем несколько видов буферных растворов. Подберем к каждому формулу и определение.

Кислотная смесь

Определение: Кислотная смесь — раствор, состоящий из растворителя, слабой кислоты, соли добавленной слабой кислоты.

Такая смесь хорошо принимает гидроксид-ионы (ОН-). Запишем уравнение нахождения pH данного раствора.

Основная смесь

Определение: Основная смесь — раствор, состоящий из растворителя, слабого основания, соли добавленного слабого основания.

Данная смесь хорошо впитывает ионы водорода (Н+). Напишем формулу вычисления pH раствора.

Кислотно-солевая смесь

Определение: Кислотно-солевая смесь — раствор, образованный растворителем, кислыми солями слабых кислот.

Для формулы необходимо учитывать константы диссоциации всех ступеней кислой соли.

Кисло-солевая смесь

Определение: Кисло-солевая смесь — раствор, образованный растворителем, кислыми солями сильных кислот.

Формула строиться также на константах диссоциации всех ступеней слабой кислоты.

Раствор из сильного основания и сильной кислоты

Определение: Смесь из сильных электролитов — получается смешением растворителя, щелочи и сильной кислоты. Принимает и ионы водорода (Н+) и гидроксид-ионы (ОН-).

Применение и механизм работы буферных растворов

Перечислим основные методы, в которых применяются буферные растворы. Дадим им краткую характеристику.

• химический анализ — создание раствора с заданными параметрами уровня pH для проведения опыта и наблюдения, создание растворов с не изменяющимся параметром уровня pH;
• промышленность — изготовление красящих веществ, фотоматериалов или при электрохимическом покрытии материалов;
• бактериологические эксперименты — поддержание постоянного параметра pH для культивирования бактерий;
• биологические системы — поддержание параметра кислотно-основного показателя в рамках организма или экосистемы.

Механизм действия бикарбонатной буферной системы

Рассмотрим ситуацию. Уровень водорода (Н+) поднимается в кровяном русле. Тогда выделяются молекулы углекислого газа (СО2) на его погашение. Запишем уравнение.

Поднимается уровень гидроксид-анионов (ОН-). В ответ на это выделяются молекулы угольной кислоты (Н2СО3), которая связывает атом водорода (Н+) с гидроксид-анионом (ОН-). Получается вода (Н2О) и гидрокарбонат ион (НСО3-).

Механизм действия гемоглобиновой системы

С притоком свежего воздуха в легкие происходит реакция окисления молекул гемоглобина. 
Константа гемоглобиновой молекулы более щелочная, а константа оксигемоглобин склоняется в сторону кислого раствора. Необходимо восстановить кислотность крови. В процесс вмешивается бикарбонатная буферная система и восстанавливает необходимый баланс. Укажем константы диссоциации молекул гемоглобина.

Механизм фосфатной буферной системы

Данная система располагается не только в кровяном русле, но и в желудочно-кишечном тракте, почек и пищеварительных желез.

Во внеклеточном веществе увеличивается параметр катионов водорода (Н+). В ответ на это образуются дигидрофосфат-ионы путем поглощения водорода. Дигидрофосфат-анионы выводятся почками. В результате кислотно-щелочной показатель мочи уменьшается. Данное явление наблюдается поедании белковой пищи.

Обратный процесс происходит при переваривании растительной еды. Образуются во внеклеточном веществе гидроксид-анионы (ОН-), которые поглощаются дигидрофосфатами. Выводиться гидрофосфатные ионы и показатель мочи повышается. Процесс восстановления pH в фосфатном буфере происходит за двое-трое суток.

Буферная емкость

Дадим определение и формулу буферной емкости.

Определение: Буферная емкость — количественный показатель раствора, характеризующий его способность принимать катионы водорода (Н+) или гидроксид-анионы (ОН-).

У кислотной и основной смесей они отличаются. Запишем формулы обоих вариантов: емкости по основанию (о) и емкости по кислоте (к).

Отметим показатели формулы: С — молярная концентрация; В — основание; НА — кислота; V — объем.

Известные буферы и их использование

Перечислим еще некоторые виды буферов в организме и человеческой практике:

• белковая система (белок-основание — белок-соль) — поддержание постоянного кислотно-основного показателя в крови;
• ацетатная система (CH3COOH — CH3COONa) — проведение экспериментов области аналитической химии и биологии, создание условий организма для медицинских исследований;
• аммонийная система (NH4OH — NH4Cl) — основный буфер в прикладных исследованиях биологии и химии.

Нарушение буферного равновесия в организме человека

Существует два вида нарушения буферного равновесия: алкалоз и ацидоз. Дадим каждому определение.

Определение: Ацидоз – повышение кислотности организма.

Например, возникает при повышении концентрации углекислого газа (СО2) в крови. Перечислим основные клинические признаки данного нарушения:

• угнетение деятельности центральной нервной системы;
• коматозное состояние наступает при рН меньше 7;
• увеличивается частота дыхательных движений.

Определение: Алкалоз – повышение основности организма.

Увеличивается количество гидроксид-ионов (ОН-). Также перечислим основные клинические признаки данного нарушения:

• перевозбуждение нервной системы;
• судороги;
• летальный исход от тетанического сокращения дыхательных мышц.