ЗАНЯТИЕ №13

Тема: Протолитические процессы в буферных растворах.

Актуальность темы: В результате жизнедеятельности в организме ежесуточно образуется большое количество кислот. Во-первых, при усвоении белков, жиров и углеводов образуется углекислота, ежесуточно – 13 моль. Помимо угольной кислоты образуются другие органические и минеральные кислоты, при смешанной диете – до 100 ммоль эквивалента. Например, при усвоении 100 г белка выделяется 60 ммоль эквивалента серной кислоты.

Образование кислот характерно для некоторых патологических процессов. При диабетическом кетозе образуется до 1 моль эквивалента ацетоуксусной и b-оксимасляной кислот. Кислоты в организме образуются и в результате приема внутрь некоторых лекарственных препаратов.

Все выделяющиеся кислоты утилизируются тем или иным способом: кислотные остатки фосфорной кислоты образуют органические фосфаты и входят в состав буферных систем крови и тканей, избыток выводится с мочой. Сульфат-ион образует сложные эфиры, которые выводятся почками. Молочная кислота либо окисляется до СО₂, либо превращается в гликоген.

Физико-химические расчеты показывают, что 0,15 моль СО₂ достаточно для того, чтобы нарушить кислотно-основное равновесие организма человека массой 75 кг. Однако в норме организм способен утилизировать до 13 моль выделяющегося ежесуточно СО₂ без нарушения кислотно-основного равновесия. В этом наряду с физиологическими механизмами важную роль играют физико-химические механизмы. Среди последних важное значение имеет буферное действие, которое обеспечивается такими буферными системами, как гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. При нарушении кислотно-основного равновесия в организме уже через 10-15 минут включается буферная компенсация, которая затем подключает почечную и легочную компенсацию.

Учебные цели: ознакомиться приготовлением и определением емкости буферных растворов как систем, обеспечивающих кислотно-основный гомеостаз в живых организмах.

В результате освоения темы студент должен уметь:

· Отличать буферные системы от других систем;

· Показывать механизм буферного действия;

· Рассчитывать рН буферных систем, буферную емкость и соотношение компонентов в буферных растворах;

· Готовить простейшие буферные растворы и определять их буферную емкость по кислоте и по щелочи.

Для формирования умений студент должен знать:

· Протолитическую теорию кислот и оснований;

· Протолитические процессы в буферных растворах и механизм буферного действия;

· Расчетные формулы Гендерсона-Гассельбаха для оценки рН буферных растворов и буферной емкости;

· Значение буферных систем в жизнедеятельности и важнейшие буферные системы организма человека.

Вид занятий: лабораторно-практическое.

Продолжительность занятия: 3 академических часа.

Оснащение рабочего места: штатив с пробирками, мерные пипетки, мерная пробирка, бюретка на 25 мл, калькулятор, таблица физико-химических величин, коническая колба.

Реактивы: 0,1 моль/л растворы NaOH, HCI, CH₃COOH и СН₃СООNa, индикаторы метиловый красный и метиловый оранжевый, дистиллированная вода.

Содержание занятия

1. Контроль исходного уровня знаний (тест).

2. Разбор теоретических вопросов и решение типовых задач.

3. Выполнение лабораторной работы;

а) приготовление ацетатного буфера и оценка рН этих растворов;

б) влияние разбавления на значение рН раствора;

в) определение буферной емкости для ацетатного буфера по кислоте и по щелочи.

4. Проверка протоколов лабораторных работ.

5. Выходной контроль по решению ситуационных задач

6. Задание на дом: «Рубежная контрольная работа по блоку III».

Вопросы для подготовки к занятию

1. Дайте определение буферных растворов и их классификацию.

2. Как можно приготовить буферные растворы?

3. В чем механизм буферного действия? Покажите это на примерах ацетатного и фосфатного буферов.

4. Как рассчитывают рН буферных растворов различных типов по уравнениям Гендерсона-Гассельбаха?

5. От каких факторов зависит рН буферных растворов?

6. Что такое зона буферного действия? Как ее оценивают?

7. Что такое буферная емкость? Как ее рассчитывают по кислоте и по щелочи?

8. От чего зависит буферная емкость?

9. Какие буферные системы содержатся в организме человека? Какая из них обладает наибольшей буферной емкостью?

10. Какие механизмы обеспечивают постоянство рН биосред организма?

11. Какие пары образуют буферные растворы:

а) 50 мл 0,1 М NaOH и 20 мл 0,2 М СН₃СООН

б) 50 мл 0,1 М H₂SO₄ и 100 мл 0,05 М NaOH

в) 50 мл 0,1 М НС1 и 40 мл 0,1 М CH₃COONa

г) 20 мл 0,1 М CH₃COONa и 30 мл 0,1 М СН₃СООН

12. При определении альбумина по реакции с бромкрезоловым зеленым применяют ацетатный буфер. Уксусную кислоту объемом 50 мл смешивают с 13,2 мл раствора гидроксида натрия (концентрация каждого раствора равна 1 моль/л) и объем доводят дистиллированной водой до 1 литра. Вычислите рН используемого раствора.

13. Рассчитайте молярное соотношение компонентов буферной системы, содержащей аммиак и хлорид аммония, имеющей рН=9,8, если рК =4,75.

14. Как изменится рН фосфатного буфера, содержащего 12 мл 0,05 М гидрофосфата натрия и 8 мл 0,05 М дигидрофосфата натрия, после добавления 2 мл 0,05 М раствора NaOH?

Литература:

[1] с. 108; [3] с. 130; [4] с. 41.

Дополнительная:

1. Лекционный материал.

2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. -М., Высшая школа. 2002.

Образец билета входного тест-контроля

1. Буферными системами являются смеси:

А) NaOH и H₂SO₄ Б) CH₃COONa и NaOH

В) HCOOH и HCOONa Г) NaCl и HCl

Д) NaH₂PO₄ и K₂HPO₄

Ответ: В,Д.

2. рН аммонийного буфера рассчитывают по формуле:

А) Б)

В) Г)

Д)

Ответ: Г.

3. Фосфатный буфер способен поддерживать рН в интервале:

А) 2,4 ¸ 3,7 Б) 6,4 ¸ 8,4 В) 8 ¸ 10

Г) 3,75 ¸ 5,75 Д) 1 ¸ 10

Ответ: Б.

4. Максимальная буферная емкость наблюдается при соотношении С_{сопр.осн.}: С_кисл.:

А) 1:1 Б) 1:10 В) 10:1 Г) 2:8 Д) 5:10

Ответ: А.

5. Для развития бактерий пневмококка наиболее благоприятны значения рН:

А) 7,0 ¸ 7,4 Б) 7,4 В) 7,6 ¸ 7,8

Г) 0,9 Д) 5,4 ¸ 6,9

Ответ: В.

6. Наибольшая буферная емкость по кислоте у следующего буфера крови:

А) белковый Б) фосфатный В) аминокислотный

Г) аммонийный Д) гидрокарбонатный

Ответ: Д.

Информационная часть

Буферной системой называют равновесную систему, способную поддерживать примерно на постоянном уровне какой-либо параметр при незначительных внешних воздействиях. Протолитические буферные системы поддерживают рН при добавлении небольших количеств кислот и оснований или при разбавлении. Протолитические буферные системы состоят из слабой кислоты и избытка сопряженного с ней основания (1-ый тип) или слабого основания и избытка сопряженной с ним кислоты (2-ой тип).

Важным является то, что концентрация этих кислот на несколько порядков превышает концентрацию Н₃О⁺ и ОН^-.

1-ый тип

2-ой тип

Раствор, содержащий одну или несколько буферных систем, называется буферным раствором.

Буферные растворы можно приготовить двумя способами:

· Частичной нейтрализацией слабого электролита сильным

СН₃СООН_{избыток} + NaOH или NH_{3 избыток} + HCl

· Смешивание растворов слабых электролитов с их солями (или двух солей):

СН₃СООН + СН₃СООNa или NH₃ + NH₄Cl или NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄

Чтобы понять механизм буферного действия рассмотрим равновесие – ионизацию слабой кислоты в водном растворе:

НВ + Н₂О « Н₃О⁺ + В^-

В соответствии с принципом смещения химического равновесия добавление в эту систему сильной кислоты или соли, содержащей анионы В^- приведет к смещению равновесия влево, а при добавлении щелочи (ОН^-) – вправо.

Если рассмотреть другое изолированное равновесие – гидролиз соли по аниону:

В^- + Н₂О « НВ + ОН^-,

то аналогично, добавление щелочи или слабой кислоты сместит равновесие влево, а сильной кислоты – вправо.

При совмещении этих двух изолированных равновесий оказывается, что процессы, которые в них будут протекать при воздействии одних и тех же внешних факторов – добавлении Н₃О⁺ и ОН^- - разнонаправлены. Кроме того, концентрация одного из продуктов каждой из совмещаемых реакций влияет на положение равновесия другой реакции. Это и является причиной буферного действия. Иначе, протолитическая буферная система представляет собой совмещенное равновесие ионизации и гидролиза.

Уравнение буферной системы – уравнение, выражающее зависимость рН буферного раствора от состава буферной системы.

Для ацетатного буфера:

С_{сопряж. основания} = С

С_{кислоты} = С

Для фосфатного буфера, состоящего из гидрофосфат- и дигидрофосфат-ионов:

С_{сопряж. основания} = С

С_{кислоты} = С

Как видно из приведенного уравнения, рН буферного раствора зависит от:

· природы слабого электролита;

· температуры (от нее зависит величина рК_а);

· соотношения концентраций компонентов.

Буферное действие сохраняется в определенном интервале значений рН (зона буферного действия) и зависит от соотношения концентраций компонентов буферной системы. Установлено, что выраженное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает другую не более, чем в 10 раз.

, т.е. рН = рК_а±1

Иначе, имея в распоряжении кислоту с рК_а, можно приготовить буферные растворы, поддерживающие значения рН в диапазоне от рК_а -1 до рК_а +1.

Количественно буферное действие характеризуется буферной емкостью. Буферная емкость (В) равна количеству вещества эквивалента сильной кислоты или сильного основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу. Различают буферную емкость по кислоте В_а и буферную емкость по основанию В_b.

Экспериментально буферную емкость можно определить титрованием буферной системы с последующим расчетом по уравнению:

, где

- молярная концентрация эквивалента титранта (НС1 или NaOH);

- объем титранта;

- объем буферного раствора, взятый для титрования

Буферная емкость будет тем больше, чем больше суммарная концентрация компонентов буферного раствора при постоянном соотношении их концентраций. Максимальная буферная емкость будет наблюдаться при соотношении С_{сопряж. основание} : С_{кислоты}= 1.

Несмотря на то, что в процессе метаболизма в организме постоянно образуются кислоты, рН тканей и биохимических жидкостей поддерживается примерно постоянным. В таблицах приведены значения рН различных систем и наиболее благоприятные значения рН среды для развития патогенных бактерий.

Значение рН различных систем

Значение рН, благоприятные для развития патогенных бактерий

В организме человека присутствуют различные буферные системы. Из них наиболее важными являются: гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая.

Гидрокарбонатная система образована оксидом углерода (IV) (как кислота) и гидрокарбонат-ионом (как сопряженное основание). Для гидрокарбонатного буфера рН рассчитывают по формуле:

Это уравнение носит название уравнения Гендерсона-Гассельбаха. Значение рК для данного уравнения отличается от справочной величины рК_а для Н₂СО₃, и равно 6,1.

С учетом коэффициента растворимости СО₂ получим другую форму уравнения Гендерсона-Гассельбаха:

, где

- парциальное давление СО₂.

В организме протекает обратимая реакция:

СО₂ + Н₂О « Н₂СО₃ « Н⁺ + НСО

Она ускоряется ферментом карбоангидразой. Изменение концентрации любой составной части этого буфера приводит к смещению равновесия и соотношение концентраций остается постоянным. Буферная емкость гидрокарбонатного буфера по кислоте значительно выше, чем буферная емкость по основанию. Поэтому главное назначение этого буфера в нейтрализации кислот.

Гидрокарбонатный буфер является основной буферной системой плазмы крови и является системой быстрого реагирования, т.к. продукт его взаимодействия с кислотами – СО₂ быстро выводится через легкие. Гидрокарбонатный буфер также содержится в эритроцитах, почечной ткани и интерстициальной жидкости.

Гемоглобиновая буферная система представлена двумя слабыми кислотами – гемоглобином и оксигемоглобином – и сопряженными им основаниями, соответственно гемоглобинат- и оксигемоглобинат-ионами:

ННb « H⁺ + Hb^-

кислота основание

HHbO₂ « H⁺ + HbO

Гемоглобиновый буфер является буферной системой эритроцитов. Оксигемоглобин – более сильная кислота (рК_а=6,95), чем гемоглобин (рК_а=8,20). Поэтому присоединение кислорода к гемоглобину понижает рН крови. С другой стороны, при отдаче кислорода в тканях рН крови вновь возрастает.

Фосфатная буферная система функционирует в основном в плазме. Она представлена ионами Н₂РО (кислота) и НРО (основание). Фосфатная буферная система более консервативна, т.к. избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки.

В организме также функционируют:

· белковая или протеиновая;

· аминокислотная;

· аммиачная (в почках) буферные системы.

Разбор типовых задач

1. Вычислите рН фосфатного буфера, составленного 100 мл 0,1 М КН₂РО₄ и 50 мл 0,15 М К₂НРО₄.

Решение: Расчет рН фосфатного буфера проводим по формуле:

Значение = 6,8 (берем из справочника).

Так как концентрация вещества пропорциональна количеству вещества:

n = C×V,

то в формулу подставим количества вещества КН₂РО₄ и К₂НРО₄.

2. При смешении 10 мл 0,1 М формиата натрия с 5 мл 0,05 М раствора НС1 был получен формиатный буфер. Рассчитайте значение рН этого раствора.

Решение: При смешении этих растворов протекает реакция:

HCOONa + HCl = HCOOH + NaCl

Из расчета количества вещества видно, что HCOONa в избытке.

n_HCOONa = 0,01×0,1 = 0,001 моль

n_НС1 = 0,005×0,05 = 0,00025 моль

После реакции формиата натрия останется:

n_HCOONa = 0,001 - 0,00025 = 0,00075 моль

Вместе с образовавшейся муравьиной кислотой формиат натрия образует формиатный буфер n_HCOOН = n_НС1 = 0,00025 моль.

Расчет рН ведем по формуле:

Здесь учли, что рК_НСООН = 3,75.

3. Как изменится рН фосфатного буфера, содержащего 100 мл дигидрофосфата калия и 300 мл раствора гидрофосфата калия (концентрации исходных растворов равны по 0,1 моль/л), при добавлении к нему 20 мл раствора NaOH с концентрацией 0,1 моль/л?

Решение: Сначала рассчитаем значение рН исходного раствора:

При добавлении NaOH с ним в первую очередь взаимодействует КН₂РО₄ по схеме:

КН₂РО₄ + NaOH = NaKHPO₄ + H₂O

Часть дигидрофосфата переходит в гидрофосфат.

= 0,1×0,1 = 0,01 моль; = 0,02×0,1 = 0,002 моль

После реакции дигидрофосфата калия останется:

= 0,01 - 0,002 = 0,008 моль

Общее количество гидрофосфата станет:

= 0,3 × 0,1 + 0,002 = 0,032 моль

Рассчитаем рН полученного раствора:

Изменение рН составит:

4. В каком мольном соотношении надо смешать аммиак и хлорид аммония, чтобы получить буферный раствор с рН = 9,0, если рК =4,75?

Решение: Расчет рН аммонийного буфера проводят по формуле:

Подставляя значения рН и рК получим:

Тогда:

Следовательно, мольное соотношение NH₄Cl к NH₃ должно быть:

n : n ® 1,78 : 1

5. К 100 мл крови для изменения рН от 7,36 до 7,00 надо дабавить 3,6 мл соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль/л. Какова буферная емкость крови по кислоте?

Решение: Расчет буферной емкости по кислоте проводят по формуле:

Лабораторная работа

Задание 1. Приготовление буферного раствора.

В три пробирки внесите 0,1 М растворы СН₃СООН и СН₃СООNa в соотношении (по объему): 9:1, 5:5 и 1:9. Каждый приготовленный раствор хорошо перемешать. Во все три пробирки прибавьте по 3 капли индикатора метилового оранжевого или метилового красного. Сравните и запишите окраску растворов. По известной формуле рассчитайте значения рН во всех трех растворах. В каких пределах изменилось значение рН?

Задание 2. Влияние разбавления на рН буферных растворов.

Приготовьте 3 раствора ацетатного буфера в соотношении 9:1, 5:5 и 1:9 как в предыдущем опыте. Затем в 3 чистые пробирки отберите по 2 мл приготовленных буферных растворов и добавьте в каждую из них по 8 мл дистиллированной воды. Растворы хорошо перемешайте. Во вновь приготовленные растворы (с разбавлением) добавьте по 3 капли индикатора метилового красного как и в первом случае. Сравните окраски растворов между собой и с первыми тремя пробирками. Сделайте заключение по окраске содержимого пробирок. С учетом разбавления исходных растворов вновь рассчитайте значения рН полученных растворов. Результаты наблюдений и расчетов внесите в таблицу по форме и сделайте выводы.

Задание 3. Определение буферной емкости по кислоте и по щелочи.

В конической колбе приготовьте буферный раствор, смешав 10 мл 0,1 М СН₃СООН и 10 мл 0,1 М раствора СН₃СООNa. В другой колбе приготовьте раствор – свидетель, смешивая 18 мл 0,1 М СН₃СООН и 2 мл 0,1 М СН₃СООNa.

В обе колбы внесите по 3 капли раствора метилового оранжевого. Сравните окраску растворов. Затем содержимое первой колбы титруйте из бюретки 0,1 М раствором НС1 до получения одинаковой окраски с раствором – свидетелем. Запишите затраченный объем раствора НС1 и рассчитайте по известной формуле буферную емкость ацетатного буфера. Значение рН содержимого 1 и 2 колб берите из расчетных величин 2 и 3 пробирок (см. табл. из пред. задания). Бюретку с 0,1 М раствором НС1 надо приготовить соблюдая правила ацидометрии параллельно с приготовлением содержимого 1 и 2 колб.

Для определения емкости ацетатного буфера по щелочи надо приготовить колбу с содержанием 10 мл 0,1 М СН₃СООН и 10 мл 0,1 М СН₃СООNa и раствор – свидетель (другая колба), содержащий 18 мл 0,1 М СН₃СООNa и 2 мл 0,1 М СН₃СООН. После добавления 3 капель раствора метилового оранжевого в каждую колбу, содержимое 1-ой колбы титруйте из бюретки 0,1 М раствором NaOH до одинаковой окраски с раствором – свидетелем. Записав объем затраченного раствора NaOH рассчитайте буферную емкость по щелочи. Значения рН содержимого 1-ой и 2-ой колб берите из расчетных величин 2 и 1 пробирок (см. табл. из пред. задания). Бюретку с 0,1 М раствором NaOH надо приготовить соблюдая правила алкалиметрии параллельно с приготовлением содержимого 1-ой и 2-ой колб.

Сравните буферную емкость ацетатного буфера по кислоте и по щелочи. Сделайте выводы.

Ситуационные задачи для контроля усвоения темы

1. Океанская вода ведет себя как буферный раствор при поступлении в нее щелочных или кислых вод. Опишите процессы, протекающие при этом, учитывая, что в воздухе, контактирующем с водой, содержится углекислый газ, а в морских осадках карбонаты кальция и магния.

2. Будут ли образовываться буферные растворы при смешении следующих растворов: а) 10 мл 0,1 М HCOONa и 5 мл 0,1 М НС1, б) 10 мл 0,1 М HCOONa и 5 мл 0,1 М NaOH, в) 10 мл 0,1 М NH₃ и 5 мл 0,1 М NH₄Cl, г) 10 мл 0,1 М NH₃ и 20 мл 0,05М НС1? Ответ подтвердите расчетами. В случае образования буферных растворов рассчитайте значение рН образовавшихся буферов.

3. Имеется 250 мл раствора аммиака с рН=11. Какую массу нитрата аммония следует растворить в этом растворе для получения буфера с рН=9,0?

4. В качестве консерванта пищевых продуктов часто применяют бензоат натрия. Вычислите отношение концентраций бензоат-иона и бензойной кислоты: а) в желудочном содержимом (рН=0,9), б) в содержимом кишечника (рН=7,5). Принять, что рН биосред в норме и рК =4,2.

5. Какое максимальное и минимальное количество НСООН можно добавить к КОН массой 5,6 г, чтобы после растворения смеси в воде получился буферный раствор?

6. Буферная емкость раствора по кислоте равна 40 ммоль/л. Вычислите, какой объем 0,2 моль/л НС1 можно добавить к 100 мл этого раствора, чтобы сместить рН на 0,4 единиц.

7. В пяти колбах содержатся по 20 мл раствора NH₃ с концентрацией 0,05 моль/л. В каждую из этих колб добавлена НС1 с концентрацией 0,1 моль/л в разных объемах: а) 0,5 мл; б) 5 мл; в) 7,5 мл; г) 10 мл; д) 15 мл. Какие из образовавшихся растворов обладают буферным действием? Ответ подтвердите расчетами. Для буферных растворов рассчитайте значение рН.

8. Чему равно соотношение концентраций компонентов ацетатного буфера в растворе с концентрацией: а) гидроксид-ионов, равной 2×10^-9 моль/л; б) ионов водород, равной 1×10^-5 моль/л?

9. Имеется раствор аммиака с рН=11,0 и раствор хлорида аммония с рН 5,6. Вычислите рН раствора, который получится смешением равных объемов этих растворов.

10. При исследованиях осмотической стойкости эритроцитов в клинической лаборатории применяют фосфатный буфер, который готовят следующим образом: безводный гидрофосфат натрия массой 27,31 г, дигидрат дигидрофосфата натрия массой 4,86 г и хлорид натрия массой 180 г растворяют в воде, после чего объем раствора доводят до 2 л. Вычислите рН такого буферного раствора. Объясните значение NaCl в этом растворе.

11. К 200 мл крови для изменения рН на 0,36 надо добавить 26 мл 0,01 М раствора НС1. Какова буферная емкость крови по кислоте?

12. Буферная емкость раствора по основанию равна 45 ммоль/л. Вычислите, какой объем раствора NaOH с концентрацией 0,1 моль/л можно добавить к 250 мл этого буфера, чтобы сместить рН не более чем на 0,3 единицы?

13. Пользуясь уравнением Гендерсона-Гассельбаха рассчитайте парциальное давление углекислого газа в крови, если при ацидозе рН понижается до 7,0. Концентрацию гидрокарбонат-ионов принять равной 0,05 моль/л.

14. Во сколько раз масса гидрофосфата калия была больше массы дигидрофосфата натрия, если рН полученного буферного раствора на 0,5 единиц больше силового показателя дигидрофосфат-иона (7,2)?

Домашнее задание

Тема: «Рубежная контрольная работа по блоку III».

Литература: [1] с. 66, 80; [3] с. 105, 130; [4] с. 52.

Дополнительная: лекционный материал.

Дата добавления: 2014-09-10; просмотров: 1996; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!