Буферная емкость и факторы на нее влияющие. Зона буферного действия

Буферная емкость и факторы на нее влияющие. Зона буферного действия

Способность растворов поддерживать постоянное значение pH небезгранична. Количественной мерой буферного действия раствора является буферная емкость (БЕ). Теоретически БЕ равна производной количества вещества сильной кислоты или щёлочи, добавленных к 1л буферного р-ра по изменению рН:

Практически БЕ– это к-во эквивалентов ионов Н+ или ОН-, которые надо добавить к1 л буферного р-ра, чтобы изменить его рН на единицу. При практическом определении буферной емкости по кислоте используют формулы:

где Сн (к-ты) и V(к-ты)- соотвественно, нормальная концентрация и объем раствора кислоты, при добавлении которого к объему буферного раствора Vбуф.р-ра происходит уменьшение рН на величину ΔрН.

Буферная емкость по щелочи находится по формуле

где Сн (осн) и V(осн)- соотвественно, нормальная концентрация и объем раствора щелочи, при добавлении которого к объему буферного раствора Vбуф.р-ра происходит увеличение рН на величину ΔрН

Б. Е. зависит от состава буферного раствора, концентрации и соотношения компонентов.

· Чем больше количества компонентов кислотно-основной пары основание/ сопряженная кислота в растворе, тем выше Б.Е. этого раствора.

· Б. Е. зависит от соотношения концентраций компонентов буферного раствора, а следовательно, и от рН буферного раствора.

· При рН = рКа отношение С (соль)/ С (кислота) = 1, т. е. в растворе имеется одинаковое количество соли и кислоты. При таком соотношении концентраций рН раствора изменяется в меньшей степени, чем при других, и, следовательно, Б. Е. максимальна при равных концентрациях компонентов буферной системы и уменьшается с отклонением от этого соотношения. Б. Е. раствора возрастает по мере увеличения концентрации его компонентов и приближения соотношения [HAn]/ [KtAn] или [KtOH]/ [KtAn] к единице.

Рабочий участок буферной системы, т. е. способность противодействовать изменению рН при добавлении кислот и щелочей, имеет протяженность приблизительно одну единицу рН с каждой стороны от точки рН = рКа. Вне этого интервала буферная емкость быстро падает до 0. Интервал рН = рКа ± 1

называется зоной буферного действия

. Выраженное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию другого не более, чем в 10 раз. Соотвественно, границы зоны буферного действия составляют:

Буферные системы крови: состав, распределение в плазме и эритроцитах, механизм действия гидрокарбонатной, фосфатной, белковой буферных систем, рН крови в норме, рН артериальной и венозной крови.

Кровь содержит 4 основные буферные системы. 1. Гидрокарбонатная. 2. Белковая.3. Гемоглобиновая4. Фосфатная буферная система.

Гидрокарбонатный буфер

представлен смесью веществ Н2СО3 и NaHCO3 в соотношении 1 : 20. Этот буфер представляет собой основную буферную систему плазмы крови; он является системой быстрого реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами (СО2) – быстро выводится через легкие.

Механизм действия

. В случае накопления кислот в крови уменьшается количество НСО3- и происходит реакция: НСО3- + Н+ ↔ Н2СО3 ↔ Н2О + СО2↑. Избыток удаляется лёгкими. Однако значение рН крови остаётся постоянным, так как увеличивается объём лёгочной вентиляции, что приводит к уменьшению объёма СО2. При увеличении щелочности крови концентрация НСО3- увеличивается: Н2СО3 + ОН- ↔ НСО3- + Н2О.Это приводит к замедлению вентиляции лёгких, поэтому СО2 накапливается в организме и буферное соотношение остаётся неизменным.

Гемоглобиновый буфер-

Главная буферная система
эритроцитов
, на долю которой приходится около 75% всей буферной ёмкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и СО2. Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль сразу в нескольких физиологических процессах: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови. Она представлена двумя слабыми кислотами – гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженными им основаниями – соответственно гемоглобинат- и оксигемоглобинат-ионами:

HHb ↔ H+ + Hb-

HHbO2 ↔ H+ +HbO2-

Оксигемоглобин – более сильная кислота (рКа = 6,95), чем гемоглобин (рКа = 8,2). При рН = 7,25 (внутри эритроцитов) оксигемоглобин ионизирован на 65%, а гемоглобин – на 10%, поэтому присоединение кислорода к гемоглобину уменьшает значение рН крови, так как при этом образуется более сильная кислота. С другой стороны, по мере отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях значение рН крови вновь увеличивается.

Буферные свойства ННb прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия кислореагирующих соединений с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:

КНb + Н2СО3 ↔ КНСО3 + ННb.

Образующийся гидрокарбонат (КНСО3) уравновешивает количество поступающей Н2СО3, рН сохраняется, так как происходит диссоциация потенциальных молекул Н2СО3 и образовавшихся гемоглобиновых кислот. Именно таким образом поддерживается рН крови в пределах нормы, несмотря на поступление в венозную кровь огромного количества СО2 и других кислореагирующих продуктов обмена. В капиллярах лёгких гемоглобин (ННb) поглощает кислород и превращается в HHbO2, что приводит к некоторому подкислению крови, вытеснению некоторого количества Н2СО3 из бикарбонатов и понижению щелочного резерва крови, а в тканях отдает его и поглощает СО2.

В лёгких: ННb + O2 ↔ HHbO2;

HHbO2 + HCO3- ↔ HbO2 + H2O + CO2 ↑

В тканях: HbO2 ↔ Hb- + O2; Hb- + Н2СО3 ↔ ННb + HCO3-

Кроме того, гемоглобиновый буфер является сложным белком и действует как белковый

буфер.

Фосфатный буфер

составляет 5 % буферной ёмкости. Содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями К2НРО4 и КН2РО4, а в плазме крови и в межклеточной жидкости Na2HPO4 и NaH2PO4. Функционирует в основном в плазме и включает: дигидрофосфат ион Н2РО4- и гидрофосфат ион НРО42-.Отношение [HPO42- ]/[H2PO4-] в плазме крови (при рН = 7,4) равно 4 : 1. Следовательно, эта система имеет буферную ёмкость по кислоте больше, чем по основанию. Например, при увеличении концентрации катионов Н+ во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО42- :

Н + + НРО42- ↔ Н2РО41-

Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи.

При увеличении концентрации оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н2РО41-:

ОН ‾ + Н2РО41- ↔ НРО42- + Н2О

Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается.

Выведение тех или иных компонентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал значений рН мочи – от 4,8 до 7,5. Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной ёмкостью, чем гидрокарбонатная, из-за малой концентрации компонентов крови.

Белковый буфер

составляет 5 % буферной ёмкости. Он состоит из белка-кислоты и его соли, образованной сильным основанием.

Pt – COOH — белок-кислота

Pt – COONa – белок-соль

При образовании в организме сильных кислот они взаимодействуют с солью белка. При этом получается эквивалентное количество белок-кислоты: НС1 + Pt-COONa ↔ Pt-COOH + NaCl. По закону разбавления В.Оствальда увеличение концентрации слабого электролита уменьшает его диссоциацию, рН практически не меняется.

При увеличении щелочных продуктов они взаимодействуют с

Pt-СООН: NaOH + Pt-COOH ↔ Pt-COONa + H2O

Количество кислоты уменьшается. Однако концентрация ионов Н+ увеличивается за счет потенциальной кислотности белок-кислоты, поэтому практически рН не меняется. Белок – это амфотерный электролит и поэтому проявляет собственное буферное действие.

В нор­ме рН крови соответствует 7,36, т. е. реакция слабоосновная. Колебания величины рН крови крайне незначительны. Так, в условиях покоя рН артериальной крови соответствует 7,4, а ве­нозной — 7,34. В клетках и тканях рН достигает 7,2 и даже 7,0, что зависит от образования в них в процессе обмена веществ «кислых» продуктов метаболизма. При различных физиологических состояниях рН крови может изменяться как в кислую (до 7,3), так и в щелочную (до 7,5) сторону.

22. Понятие о кислотно-основном состоянии организма: определение, значение для процессов жизнедеятельности, щелочной резерв крови (%, ммоль/л).

Под кислотно-основным состоянием (КОС) подразумевается соотношение концентраций водородных (Н+) и гидроксильных (ОН) ионов в биологических средах. Необходимым условием существования живого организма является поддержание постоянства этого параметра внутренней среды. КОС имеет первостепенное значение, так как:

· Ионы Н+ являются катализаторами многих биохимических превращений;

· Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность при строго определённых значениях рН;

· Наибольшие изменения концентрации ионов Н+ крови и межтканевой жидкости влияют на величину их осмотического давления.

· Отклонение рН крови (7,4) на 0,3 ед. может привести к коматозному состоянию, отклонение на 0,4 ед. может повлечь смертельный исход. рН слюны равное 5 ед. приводит к развитию кариеса.

К основным показателям КОС

относят рН крови, парциальное давление СО2, щелочной баланс крови. В норме рН крови равно 7,4. Смещение рН в сторону увеличения называется алкалозом, а в сторону уменьшения – ацидозом. Парциальное давление СО2 в норме составляет 40 мм рт.ст. Снижение этого показателя наблюдается при дыхательном алкалозе и метаболическом ацидозе. Повышение давления СО2 отмечается при дыхательном ацидозе и метаболическом алкалозе.

Щелочной резерв крови

— показатель функциональных возможностей буферной системы крови, численно совпадает с концентрацией бикарбонатного аниона (НСО3- ) при фактическом состоянии плазмы ар­териальной крови в кровеносном русле. В физиологических условиях равен 22-25 ммоль/л. Другое определение щелочного резерва крови — способность циркулирующей крови связывать CO2. Она вычисляется в условиях уравновешивания плазмы крови при P(CO2)=40 mm Hg: определяется общее количество CO2, из которого вычитают количество физически растворённого CO2 в исследуемой сыворотке крови. Величина выражается в объёмных процентах CO2 (в мл CO2 на 100 мл плазмы), в норме у человека составляет 50—65 об.% CO2. Понятие
щелочного резерва крови
тесно связано с работой гемоглобиновой буферной системы организма, способствующей поддержанию уровня pH циркулирующей крови в физиологических пределах. Уменьшение щелочности свидетельствует об уменьшении содержания бикарбонатов в организме, а увеличение её – об увеличении их.

Буферные системы и механизм их действия. Буферная емкость и факторы ее определяющие.

Буферные растворы — это растворы, величина рН которых мало изменяется при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот или щелочей, а также при разбавлении. C точки зрения протонной теории простейший буферный раствор состоит из слабой кислоты и сопряженного ей основания или слабого основания и его сопряженной кислоты.

Классификация буферных систем 1. Кислотные. Состоят из слабой кислоты и соли этой кислоты. Например, ацетатная буферная система (CH3COOH+ СН3СООNa ), гидрокарбонатная буферная система (H2CO3 +NaHCO3 ). 2. Основные. Состоят из слабого основания и его соли. Например, аммиачная буферная система (NH3H×2O + NH4Cl). 3. Солевые. Состоят из кислой и средней соли или двух кислых солей. Например, карбонатная буферная система (NaHCO3+Na2CO3 ), фосфатная буферная система (КН2PO4 + К2НPO4). 4. Аминокислотные и белковые. Если суммарный заряд молекулы аминокислоты или белка равен нулю (изоэлектрическое состояние), то растворы этих соединений не являются буферными. Их буферное действие начинает проявляться тогда, когда к ним добавляют некоторое количество кислоты или щелочи.

Механизм действия буферных систем:

1. Разбавление. При разбавлении водой происходит уменьшение концентрации обоих компонентов в буферной системе в одинаковой степени, поэтому величина их соотношения не изменится. рК(кислоты) и рК(основания) являются постоянными при данной температуре и не зависят от разбавления. Действительно, одновременное понижение концентраций кислоты и соли в ацетатной буферной системе от 0,1М до 0,001М при разбавлении водой изменяет рН буферного раствора с 4,63 до 4,73 . Следовательно,разбавление в конечном итоге мало изменяет рН буферных систем.

2. Добавление кислот и оснований. При добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований рН буферных систем изменяется незначительно. Например, рассмотрим ацетатный буфер:

СН3СООН/ СН3СОО–

При добавлении к ацетатному буферу небольшого количества HCl, происходит взаимодействие ионов Н+ с основным компонентом буферного раствора: Н+ + СН3СОО– ⇄ СН3СООН. Степень диссоциации СН3СООН мала и концентрация [H+] практически не меняется. рН буферного раствора уменьшится, но незначительно. Таким образом, если к ацетатному буферу добавить Х моль/л HCl, то уравнение для расчета рН буферной системы принимает вид: рН = рК(кислоты) + lg

При добавлении небольшого количества NaOH, OH-– ионы нейтрализуются кислотным компонентом буферного раствора: OH-+ СН3СООН ⇄ СН3СОО – + Н2О.

В результате этого, добавленное сильное основание заменяется эквивалентным количеством слабого сопряженного основания (СН3СОО–), которое в меньшей степени влияет на реакцию cреды. рН буферного раствора увеличивается, но незначительно.

Таким образом, если к ацетатному буферу добавить У моль/л NaOH, то уравнение для расчета рН буферной системы принимает вид: рН = рК(кислоты) + lg

Буферная емкость (В) — это число молей эквивалента сильной кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы сместить его рН на единицу.

Буферная емкость системы определяется по отношению к добавляемым кислоте (Вкисл.) или основанию (щелочи) (Восн.) и рассчитывается по формулам: Вкисл.= Восн.=

39. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для расчета pH буферных систем (вывод).

При больших концентрациях H и OH значительно изменяется соотношение компонентов буферной смеси –Cк/Сс увеличивается или уменьшается и pH может измениться. Подтверждением этого является уравнение Гендерсона-Гассельбаха, которое устанавливает зависимость [H], Kи, α и Ск/Сс.

На примере буферной системы кислотного типа – смеси уксусной кислоты и ее соли CH3COONa. Концентрация ионов водорода в буферном растворе определяется константой ионизации уксусной кислоты:

CH3COOH↔CH3COO+H

Kи= =1.75*10-5

Преобразуем к виду:

=Kи или =Kи Ск/Сс.

Буферные системы крови.

Буферные системы крови представлены буферными системами плазмы крови и буферными системами эритроцитов. Буферные системы плазмы – гидрокарбонатная, белковая и фосфатная, роль последней незначительна. На их долю приходится » 44% буферной емкости крови. Буферные системы эритроцитов – гемоглобиновая, гидрокарбонатная, система органических фосфатов (фосфатная). На их долю приходится »56% буферной емкости крови.

Так как в плазме крови основную роль в связывании ионов Н+ играет гидрокарбонат – анион, его концентрация в плазме обусловливает резервную щелочность крови.

Гемоглобиновая буферная система находится только в эритроцитах. Механизм ее действия связан с присоединением и отдачей кислорода. В связи с этим гемоглобин (Нв) имеет окисленную ННвО2 и восстановленную ННв формы. ННв + О2 ⇄ ННвО2⇄ Н+ + HвO2-

Гемоглобиновая буферная система в организме эффективно функционирует только в сочетании с гидрокарбонатной системой.