Введение
Буферные растворы - это растворы с определенным значением рН, который остается постоянным при разбавлении или при добавлении небольших количеств кислоты или основания.
Другими словами, буферные растворы позволяют сохранить стабильный уровень рН другого раствора, который смешан с буферным. Данная способность основана на том, что отдельные компоненты буферного раствора связывают ионы $\mathrm{H^+}$ кислот или ионы $\mathrm{OH^-}$ оснований, вводимых в раствор. Данная способность определяется буферной емкостью.
Буферная емкость измеряется абсолютным количеством вещества (моль) кислоты или основания, которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу.
Виды буферных растворов
Основные виды буферных растворов:
- Кислотная смесь (смесь слабой кислоты и ее соли). $\mathrm{pH=pK_кисл - lg{C_M(кисл)\over{C_M(соли)}}}$
- Основная смесь (смесь слабого основания и его соли). $\mathrm{pH=14-pK_осн - lg{C_M(осн)\over{C_M(соли)}}}$
- Растворы кислых солей слабых кислот. $\mathrm{pH={(pK_1 + pK_2)\over{2}}}$
- Смеси кислых солей.
- Растворы сильных кислот и щелочей.
Применение буферных растворов
Буферные растворы применяются в химическом анализе, когда по условиям опыта химическая реакция должна протекать при соблюдении точного значения рН, который не должен меняться при разбавлении раствора или при добавлении других реагентов.
Также они могут использоваться в технологических процессах, например, в производстве красителей, фотоматериалов или при электрохимическом нанесении защитных покрытий.
В бактериологических исследованиях буферные растворы используются для поддержания постоянства рН культурных сред.
Биологические и другие системы зависят от содержания в них буферных растворов, которые поддерживают в них постоянство рН. Рассмотрим механизм действия буферных растворов на примере бикарбонатной, гемоглобиновой и фосфатной буферных системах.
Механизм действия бикарбонатной буферной системы
В крови увеличивается концентрация ионов водорода, при этом выделяется $\mathrm{CO_2}$, который выделяется в процессе дыхания $\mathrm{H^+ + HCO_3^- =H_2CO_3 = CO_2 + H_2O}$
Далее в кровь поступают основания, которые связываются с угольной кислотой, вследствие чего равновесие смещается в сторону образования $\mathrm{HCO_3^-}$
$\mathrm{OH^- + H_2CO_3 = HCO_3^- + H_2O}$
Нарушение равновесия компенсируется бикарбонатной буферной системой.
Механизм действия гемоглобиновой системы
В легких происходит процесс оксигенации $\mathrm{H\!-\!Hb + O_2 = H\!-\!HbO_2}$
Среда должна быть более кислой, так как $\mathrm{pK_{HbO_2}=6,95}$, а $\mathrm{pK_{H\!-\!Hb}=8,2}$. Но бикарбонат-ион взаимодействует с оксигемоглоьином, что способствует восстановлению кислотности
Механизм действия фосфатной буферной системы
Данная система содержится в крови, клеточной жидкости других тканей (почек, пищеварительных желез).
При увеличении во внутриклеточной жидкости ионов водорода образуется избыточный дигидрофосфат, который выводится почками. Вследствие этого меняется рН мочи (уменьшается). Это происходит в результате переработки мясной пищи.
В результате потребления растительной пищи накапливаются основания, которые нейтрализуются ионами $\mathrm{H_2PO_4^-}$. Образуется дигидрофосфат, который выводится почками и рН мочи повышается. В отличие от других систем полное восстановление постоянного значения рН происходит через 2-3 суток.
