Что понимают под интервалом буферирования

Зона буферного действия

Буферное действие сохраняется в определенном интервале значений рН. Рабочий участок буферной системы, т.е. способность противодействовать изменению рН при добавлении кислот и щелочей, имеет протяженность одну единицу рН с каждой стороны. Вне этого интервала буферная емкость быстро падает до 0.

Интервал рН = рК ± 1 называется зоной буферного действия. Таким образом, на основе кислоты, имеющей определенное значение рК, можно приготовить буферные растворы, поддерживающие значение рН в диапазоне от рК – 1 до рК + 1. Где рК = –lgК

Пример: область действия ацетатного буфера 3,8 – 5,8; область действия гидрокарбонатного буфера 5,4 – 7,4, область действия гидрофосфатного буфера 6,2 – 8,2, область действия аммиачного буфера 8,2 – 10,2.

Установлено, что выраженное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию другого не более чем в 10 раз.

Источник

Буферный раствор

Буферный раствор (рус. Буферные раствор, англ. Buffer solution, нем. Pufferlösung f) — водный раствор, содержащий соединения, которые противостоят значительном изменении pH при добавлении небольшого количества кислоты или основания.

Общее описание

Иногда понятие «буферный раствор» используется в более широком смысле: для растворов, имеющих любой постоянный параметр (окислительно-восстановительный потенциал, активность ионов кальция и т.д.), почти не меняется при незначительном изменении состава системы, например при концентрирования, разбавления, добавлении небольших количеств посторонних соединений. Стабильность достигается благодаря тому, что компоненты буферной системы находятся в состоянии химического равновесия.

Буферы широко используются в химических, биологических и медицинских лабораториях для поддержания устойчивого pH среды, в которой происходят химические реакции. Они также входят в состав большого количества промышленных товаров, таких как некоторые медицинские препараты (например забуференный аспирин), средства для ухода за кожей и волосами и тому подобное. Буферные растворы необходимы для обеспечения гомеостаза живых организмов, например pH крови человека поддерживается на постоянном уровне, оптимальном для транспорта кислорода (около 7,4), благодаря нескольким буферным системам.

Для обеспечения устойчивого pH буфер должен содержать два соединения: одну, которая бы препятствовала уменьшению концентрации ионов H _{3 O} — (или упрощенно — H +), а другая — которая препятствовала ее увеличению, при этом они не должны нейтрализовать друг друга. По используется пара слабая кислота (донор протонов) / ее сопряженная основа (акцептор протонов) в примерно одинаковых концентрациях, и значительно реже — слабое основание / сопряженная с ней кислота. Буферные растворы часто делают на основе пар уксусная кислота / ацетат, дигидрогенфосфат / моногидрогенфосфат, угольная кислота / гидрокарбонат и др.

Механизм действия буферных систем

С другой стороны, при добавлении небольшого количества щелочи, поставляет ионы OH — в раствор, с ними взаимодействовать слабая кислота

Эти две оборотные реакции и обеспечивают буферные свойства раствора: добавление к раствору ионов H + или OH — влечет изменение соотношения слабой кислоты и сопряженной основе и совсем незначительное смещение pH.

Достаточно распространенное заблуждение о том, что буферные растворы способны поддерживать pH на абсолютно постоянном уровне. На самом деле это не так, добавление даже небольшого количества кислоты или щелочи к такому раствора приводит к изменению водородного показателя, но очень незначительной. Например, если добавить к 1 л чистой воды 0,01 моль соляной кислоты, то ее pH изменится от 7,0 до 2,0, то есть на 5 единиц, с другой стороны, при добавлении такого же количества кислоты в 1 л буферного раствора, его pH может измениться всего на 0,1.

Буферная емкость и область буферирования

PH буферного раствора

pH буферного раствора при известной соотношение между количествами слабой кислоты и сопряженной основы можно определить, используя уравнения Гендерсона-Гассельбаха:

,

Так что для приготовления буфера с желаемым pH можно выбрать слабую кислоту (или основу) с максимально приближенным значением _pK a и рассчитать по уравнению Гендерсона-Гассельбаха соотношение кислоты и сопряженной основы, которые нужно смешать. Возможно также использовать и другие пути: например, титровать раствор слабой кислоты сильной щелочью, или ее соли сильной кислотой до нужного pH.

Изменение pH буферного раствора при добавлении сильных кислот или оснований

Чтобы вычислить, как изменится pH буферного раствора при добавлении известного количества сильной кислоты или основания, следует сначала использовать принципы стехиометрии, чтобы выяснить количество одного компонента буферного раствора при этом превратится в другой. Предполагается, что реакция нейтрализации происходит до конца (например, если в ацетатного буфера добавить 0,1 моль гидроксида натрия, то можно считать, что количество уксусной кислоты в растворе уменьшится на 0,1 моль, а количество ацетата увеличится на такое же значение). Полученные значения новых концентраций компонентов буфера можно подставить в уравнение Гендерсона-Гассельбаха для вычисления равновесного значения pH.

Практическое значение pH буферов

Буферные системы существуют внутри всех живых клеток, так как большинство из химических превращений, происходящих в них зависящие от pH. С этой же причине в лабораториях при исследовании свойств белков, особенно ферментов, нуклеиновых кислот и других биомолекул всегда используют pH буфера.

pH буфера широко используются во многих отраслях промышленности и в лабораторной практике. Например, один из первых этапов пивоварения — измельчение солода — должен происходить при pH от 5,0 до 5,2. С изготовлением пива связано и само открытие шкалы pH, поскольку ее изобретатель Сорен Соренсон работал исследователем на пивоварне.

Буферные системы крови человека

pH крови человека в среднем составляет 7,4, изменение этого значения даже на одну десятую единицы приводит к тяжелым нарушениям (ацидоза или алкалоза). Когда водородный показатель выходит за пределы диапазона 6,8 ÷ 7,8, это обычно ведет к гибели. Важнейшее буферная система крови — угольная (HCO-3 / _H 2 _CO 3), вторая по значению — фосфатный (HPO2-4 / _H 2 PO-4), также определенную роль в поддержании pH играют белки.

PH буфера в биологических лабораториях

Значение _pK a некоторых буферных агентов

Буферный агент	pK a
Трис	8,3
TES	7,55
HEPES	7,55
MOPS	7,2
PIPES	6,8

В экспериментах с биохимии и молекулярной биологии первично использовались обычные буфера на основе слабых кислот и их сопряженных оснований, такие как цитратные, ацететни, фосфатные. Однако они имели ряд недостатков, таких как довольно значительное изменение pH при разведении или изменении температуры, проникновения их компонентов через клеточные мембраны и влияние на физиологические процессы. Поэтому на смену им стали применять буферы на основе других веществ, например основы трис (гидроксиметил) аминометану (сокращенно трис), цвиттер-ионной соединения MOPS и тому подобное.

Норман Гуд разработал серию буферов на основе соединений, молекулы которых могут находиться в состоянии цвиттерионив, таких как HEPES, PIPES, MES. Гуд отбирал буферные агенты на основе таких желательных признаков как: значение _pK a в диапазоне 6 ÷ 8, соответствует физиологическим значением pH, высокая растворимость в воде, нерастворимость в полярных соединениях, непроницаемость через мембраны, малое влияние на ионную силу раствора, максимальная независимость диссоциации от температуры и концентрации, стабильность, легкость в приготовлении. Также буферные агенты не должны поглощать видимый и ультрафиолетовый свет с длиной волны более 230 нм, чтобы не препятствовать стандартным методам спектрофотометрии. Ни одна из известных соединений не подходит идеально под все описанные признаки, однако имеющийся выбор буферных агентов позволяет выбрать нужный для каждой конкретной задачи.

Другие типы буферных систем

В химическом анализе применяют и другие буферные системы: окислительно-восстановительные буферные растворы для образования и сохранения окислительно-восстановительного потенциала, например, на основе смеси солей Fe (II) и Fe (III); кальциевый буферный раствор для образования и сохранения активности катионов кальция, например на основе смеси эквимолярной количества дигликоляту натрия и кальция или натриевой и кальциевой солей нитрилацетатнои кислоты. В ионометрии широко используются буферные растворы для образования общей ионной силы раствора (БРЗИС).

Буферный раствор постоянной ионной силы

Буферный раствор с высокой ионной силой, которая прилагается к аналiзованого и калиброванного растворов с целью обеспечения в них одинаковой ионной силы при равной активности йонiв Н + в этих растворах.

Источник

Тема 7. Буферные растворы.

Предисловие.

Будучи огорчен качеством преподавания химии в РНИИМУ, и тем более, способом последующего контроля качества образования – тестами, я решил оказать посильную помощь студентам в сдаче оных. Пособие представляет собой краткую, насколько возможно, инструкцию, как минимально загрузив голову таки сдать этот окаянный тест. Я исследовал большое их количество, обобщил результаты.

На каждый вид вопросов я постарался дать ответ, в меру научный, чтобы все-таки не слишком уйти от своих химических корней, но и достаточно ясный, чтобы он мог быть воспринят среднестатистическим студентом. Теперь я представляю свой труд для использования широкой общественностью, надеюсь, моё творение сможет послужить к чьей-нибудь пользе.

Тема несложная, и, что важно, она опирается на простую и красивую теорию. Очень рекомендуем вникнуть в теоретическое описание, приведённое перед разборами вопросов. На этот раз оно получилось кратким, содержательным и, хотелось бы надеяться, понятным. Тема имеет связи с настоящей медициной, еще и поэтому рекомендуется к подробнейшему изучению.

Конечно, многим хотелось бы иметь готовые ответы и не париться. Думаю, что за годы работы eois общественность накопила некоторый объем ответов, он постепенно совершенствуется, доля верных ответов растет, уже в 2016 она была больше 70%. Правда, обновление вопросов в 2017 добавило веселья. Однако, в отношении химии мне это кажется неудачным путем. Объясню, почему я так считаю. Во-первых, вопросов большое количество, и они, как назло, очень похожи. Это делает трудным списывание с правильных ответов, и, одновременно, делает тесты уязвимыми к методичкам вот такого плана, с разбором вопросов на группы и злой иронией по этому поводу. Во-вторых, некоторые персонажи, как Карина, например, почему-то борются со списыванием, что делает этот процесс не самым простым трюком. А глядя на всё это глобально, по-моему, все же лучше что-то понимать и мыслить, чем списывать.

Заранее благодарен за адекватные комментарии, дополнения и исправления к тексту. Текст создан исключительно из гуманных соображений и распространяется безвозмездно.

Удачи, ни пуха, ни пера, дорогие любители химии.

Алексей «Леша-химик» Федоров

Тема 7. Буферные растворы.

Тема, как мы уже заметили, устроена очень красиво. Будет много проще, если Вы поймете эту красоту, тогда не будет нужды (она всё равно будет) в делении на вопросы, каких-то хитростях, и тому подобной хуите. Если теория — это не ваше, можете спокойно дропнуть этот раздел (только таблица обязательно нужна), в вопросах тоже есть всё нужное, чтобы еле-еле пройти порог. Так что мы настоятельно рекомендуем остаться с нами.

Итак, буферные растворы. Скорее всего, вы знаете, что в человеческом желудке сильнокислая среда, и нужно это затем, чтобы расщеплять белки до аминокислот. Но, что если человек выпьет три литра воды? Кислота разбавится, да еще и всё это стечет в кишечник, а там среда щелочная, в итоге все нейтрализуется, человек не сможет усваивать ни белки, ни углеводы, и всё пойдёт по пизде, и подопытный сдохнет? Однако, точно известно, что три литра воды к смерти не приводит, хотя и весёлого мало. Желающие идут проверять, остальные продолжают курить теорию вместе с нами.

Буферный раствор — раствор, поддерживающий рН (кислотность, короче) постоянным при добавлении кислот и щелочей в небольших количествах и разбавлении. Организм человека — почти сплошные Буферные растворы. Оговоримся: у буферного раствора есть ёмкость, при которой он может поддерживать рН относительно постоянным. Бесконечное количество кислоты или щелочи, конечено, ни один буферный раствор не нейтрализует.

К таблице мы ещё вернемся чуть позже. А сейчас фишка БР-ов.

1) Если к нему добавили сильную кислоту, например HCl. Так как в БР есть основание (сопряженное), оно будет её нейтрализовывать.

А если сократить хлорид

Или, сократив одинаковое

В рот мне ноги, это же сопряжённое основание. Охренеть, из сопряженной кислоты получилось сопряженное основание! А щелочь нейтрализовалась. Сами Гендерсон и Гассельбах охренели бы от такого поворота. А рН остается примерно постоянным. Этот мелкий засранец снова выкрутился. Вот же ж!

Подобные реакции могут быть написаны для любого другого БР и называются механизмами буферного действия. Хотя напрямую это не касается тестов, это может быть в колке, если он будет устным, и, кроме того, половина вопросов тестов как бы подразумевает, что механизм работы БР понятен.

Квадратные скобки в записях означают концентрации, однако в принципе на это можно класть хер и подставлять моли, результат всё равно будет верным.

В конце списка лежат аминокислотные буферные системы. Аминокислоты это — глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, цистеин, метионин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, лизин и аргигнин, глутамин и аспарагин, фенилаланин и тирозин, гистидин и триптофан, пролин. Формулы не приводим за ненадобностью. Вам их всё равно скоро учить. Внимательно рассмотрите их, поймите, чем отличаются анионная/диполярная/катионная формы. Там выделено красным. Запомните, что у анионной рКа2, у катионной рКа1, объяснить это сложно, стоит запомнить.

1. Типы буферных систем.

На первый взгляд путано, фактически несложно…

Как с этим бороться:

Всегда в наборе есть

1) Слабая кислота и её анион. Вспомните прошлую тему, найдите, какие кислоты слабые. Здесь то же самое. Чаще всего это что-то-СООН, но не обязательно. В примере это внезапно СО₂, потому что обратимо превращается в Н₂СО₃ в растворе. Ориентир — один минус.

2) Слабое основание и его катион. См. прошлую тему про слабые основания. Чаще всего это амины и аммиак, что-то типа что-то там такое R-NHy. Катион — это один полюс.

2. Аминокислотные буфера.

Как с этим бороться:

Очень легкая задача. Сравниваем рН с рI. Если рН

pI, то в анионной и диполярной. Да, всё так просто. Нет, это не наёбка. Нет, ошибки в том, что диполярная использована два раза, нет, так и должно быть, см. таблицу. Осторожно! Во избежания повреждения мозга о том, что такое рI, задумываться не надо!

Как с этим бороться:

Например, может быть какая-то хрень нетабличная, NaHS+Na₂S. Если подумать, то можно догадаться, что первое — кислота, второе — основание. Если сравнить с карбонтаной и гидрокарбонатной системой, можно догадаться, что тут нужна рКа2. Итого:

Самое жопошное — аминокислоты. Выучите или запишите, где рКа1, где рКа2, там это нельзя вывести. В примере ответ В.

4. Интервал буферного действия.

Как с этим бороться:

Тоже очень просто. Интервал буферного действия это область рН от рКа-1 до рКа+1. Например, если рКа=4,75, то интервал равен от 3,75 до 5,75. Подвох в том, что констант может быть дано несколько. Использовать надо ту же самую, по которой считали рН. Ту же самую, которая рКа кислоты в БР. Найти её можно в таблице. Например, если дана карбонатная буферная система (состоит из NaHCO₃+Na₂CO₃), то её рН считается по рКа2 (см. таблицу БР) и следовательно, интервал тоже по ней же. В примере если в БР есть анионная форма, то рН считают по рКа2, следовательно интервал А.

5. Соотношение компонентов, рН и рКа.

Как с этим бороться:

Всего возможно три случая.

1) рН > pKa, тогда сопряженного основания больше, чем кислоты. Может быть, 10:1, а может просто c(CH₃COOK) > c(CH₃COOH).

С учетом добавления щелочи

Всё подставляем прямо, как есть переводить ничего никуда не нужно, прям хуярим моли:

Дальнейшие расчеты как в прошлой задаче, сначала под логарифмом, потом сам логарифм, потом всё остальное. Не приводим ввиду очевидности. Ответ рН=7,0, с точностью до десятых.

2) Добавили кислоту, например HCl. Всё то же самое, но формула:

Пример не приводим, он аналогичен прошлой задаче.

9. Задача про буферную ёмкость, Вк или Вщ.

Как с этим бороться:

Тоже по формулам, как ни странно. Буферная ёмкость определение можно посмотреть в методичке с САРСами, а формула:

Тут надо немного прокомментировать. Вк — буферная ёмкость по кислоте. Бывает еще и по щелочи, Вщ, считается почти так же. Ск и Vк — концентрация и объем добавленной кислоты (если считаем ёмкость по щелочи, то исправляем на щелочь). V_БР — объем буферного раствора, ΔрН — изменение рН при добавлении кислоты или щелочи. Тонкость в том, что при добавлении щелочи рН увеличивется, а кислоты уменьшается. Чтобы не получить отрицательную ёмкость, правильнее писать

ёмкость по кислоте:

ёмкость по щелочи:

Вертикальные черты читаются как «модуль», это математический оператор, который убирает минус, если он есть.

Первая задача из скрина: всё подставить, посчитать, получить ответ. Заметьте, что концентрация в «М», то есть «моль/л», а ёмкость просят в «ммоль/л», то есть милимоль. Коварные, коварные. Перевод делается умножением на 1000. Получается

Прикиньте, какая фигня может привести к потере бала? EOIS же похер, что вы считаете правильно, но не видите перевод.

Вторая задача уже сложнее, там выводить надо. Вывод, не вдаваясь в тонкости, делается простой перестановкой.

10. Норма, ацидоз, алкалоз.

Как с этим бороться:

Норма — рН от 7,36 до 7,43.

Ацидоз — рН меньше 7,36

Алкалоз — рН больше 7,43

Больше нечего сказать.

11. Буферные системы крови.

Наконец-то что-то медицинское…

Как с этим бороться:

Буферные системы крови:

Аж три ответа, B, C, D.

Как с этим бороться:

Смиритесь, несчастные, химическая теория это не ваше. Никак, с этим невозможно ничего сделать. Нет, это не шутка. Поэтому мы просто приводим правильные ответы.

· рН буферного раствора зависит не только от соотношения концентраций сильного и слабого электролита в буферной системе, но и от константы диссоциации кислоты.

· Роль сопряженной кислоты в гидрокарбонатной буферной системе в условиях организма выполняет растворенный СО₂

· Гидрокарбонатная буферная система состоит из слабой кислоты и ее аниона

· Анионная форма аминокислоты — частица, в виде которой аминокислота существует в растворах при рН >> pI

· Буферная емкость зависит от суммарной концентрации компонентов буферной системы в растворе

· Диполярный ион — частица, несущая две разноименно заряженных группы атомов

· Ацидоз — нарушение кислотно-основного состояния организма, обусловленное повышенным пониженным значением рН плазмы крови,

· Роль сопряженного основания в карбонатной буферной системе выполняет карбонат-ион

· Ацидоз — патологическое состояние, связанное с пониженной повышенной концентрацией ионов водорода

· Буферная емкость буферных систем организма по кислоте больше, чем по щелочи

· Изоэлектрическая точка α-аминокислоты не зависит от концентрации кислоты в растворе

· Ионы HCO₃ – и HPO₄ 2– НЕ являются диполярными ионами

· Роль сопряженного основания в гидрокарбонатной буферной системе выполняет гидрокарбонат-ион

· Уравнение Гендерсона-Гассельбаха – уравнение, характеризующее зависимость рН буферного раствора только от концентрации от соотношения концентраций слабого электролита и его сопряженной кислоты (основания)

· Буферная емкость — количество кислоты или щелочи, которые нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы значение его рН изменилось на единицу

· Изоэлектрическая точка – это значение рН раствора, при котором амфолит электронейтрален

· Буферный раствор способен поддерживать практически постоянное значение рН при разбавлении или при добавлении НЕ(!)больших количеств кислоты или щелочи

· Диполярная форма аминокислоты может выступать как в роли кислоты, так и в роли основания

· Изоэлектрическая точка α-аминокислоты НЕ(!)зависит от концентрации кислоты в растворе

· При добавлении к буферной системе щелочи ее буферная емкость по кислоте может увеличиться (в смысле «может»? увеличится)

· Интервал буферного действия определяется как рK_а ± 1

· Ацидоз Алкалоз – нарушение кислотно-основного состояния организма, обусловленное повышением рН,

· Катионная форма аминокислоты — частица, в виде которой аминокислота существовует в растворах с рН

Источник