Практикум по курсу «Биохимия» для студентов специальностей 260204 «Технология бродильных производств и виноделие» и240901 «Биотехнология» Бийск (стр. 3 из 13)
Постоянство внутренней среды и поддержание рН организма обеспечивается совместным действием ряда физико-химических и физиологических систем, из которых основная роль принадлежит буферным системам. Буферными системами (буферами) называют растворы, обладающие свойством достаточно стойко сохранять постоянство концентрации водородных ионов как при добавлении кислот и щелочей, так и при разведении буферных растворов. Буферные системы по составу подразделяются на три вида:
а) состоят из слабой кислоты и ее соли, образованной сильным основанием;
б) состоят из слабого основания и его соли, образованной сильной кислотой;
в) состоят из двух солей (кислой и основной).
На практике чаще всего используют следующие буферные смеси:
СН3СООН + СН3СООNa – ацетатный буфер;
H2CO3 + NaHCO3 – бикарбонатный буфер;
NH4OH + NH4Cl – аммиачный буфер;
NaH2PO4 + Na2HPO4 – фосфатный буфер.
1.2.1 Водородный показатель буферных систем
Каждая буферная система характеризуется определенной концентрацией водородных ионов, которую она стремится сохранить при добавлении кислых или щелочных продуктов.
Рассмотрим, что определяет рН ацетатной буферной системы. Ацетатный буфер представляет собой смесь из слабой уксусной кислоты и ее натриевой соли.
Константа диссоциации уксусной кислоты выражается следующим образом:
,отсюда
При добавлении к слабодиссоциирующей уксусной кислоте ее сильно диссоциированной соли СН3СООNа произойдет резкое увеличение концентрации СН3СОО-. Это, в свою очередь, вызовет смещение равновесия влево, т.е. приведет к увеличению кислотности, и слабая диссоциация уксусной кислоты будет подавлена. При этом концентрация недиссоциированной уксусной кислоты будет практически равна общей концентрации кислоты. Так как соль диссоциирует полностью, можно принять концентрацию анионов СН3СОО- (без учета их количества, образующегося при диссоциации кислоты) равной общей концентрации соли в буферном растворе. Исходя из этого, уравнение можно представить в следующем виде:
Следовательно, рН буферных систем зависит от константы диссоциации кислоты или основания и от соотношения концентраций компонентов буферных смесей. При одинаковых соотношениях компонентов у ацетатной, фосфатной или аммиачной буферных смесей значения рН будут различными, в зависимости от разной величины констант диссоциации кислот и оснований. Константы диссоциации некоторых кислот и оснований представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Константы диссоциации слабых кислот и оснований
| Вещество | К |
| Муравьиная кислота НСООН | 2,00×10-4 |
| Уксусная кислота СН3СООН | 1,85×10-5 |
| Фосфорная кислота Н3РО4 | 1,00×10-7 |
| Угольная кислота Н2СО3 | 3,30×10-7 |
| Гидроокись аммония NH4OH | 1,87×10-5 |
Таким образом, для приготовления буферных смесей с необходимым значением рН следует использовать кислоты или основания с соответствующими константами диссоциации, а также подбирать определенные соотношения компонентов. При одинаковых соотношениях компонентов (например, 9:1) у ацетатной, бикарбонатной или фосфатной буферных смесей значение рН будет различно, т.к. зависит и от константы диссоциации.
Таблица 3 – Значения водородных показателей буферных систем
в зависимости от соотношения компонентов
| Соотношение «кислота:соль» или «основание:соль» | Ацетатная | Фосфатная | Аммиачная |
| 9:1 | 3,72 | 5,91 | 10,28 |
| 8:2 | 4,05 | 6,24 | 9,95 |
| 7:3 | 4,27 | 6,47 | 9,73 |
| 6:4 | 4,45 | 6,64 | 9,55 |
| 5:5 | 4,63 | 6,81 | 9,37 |
| 4:6 | 4,80 | 6,98 | 9,20 |
| 3:7 | 4,99 | 7,17 | 9,01 |
| 2:8 | 5,23 | 7,38 | 8,77 |
| 1:9 | 5,57 | 7,73 | 8,43 |
При разбавлении буферных систем даже в значительной степени рН не меняется. В незабуференном растворе, например, сильной кислоты, при разведении концентрация водородных ионов уменьшается. При разведении кислоты в 10 раз концентрация ионов Н+ уменьшится во столько же раз: 0,1н раствор НСl имеет концентрацию 10-2 (рН = 2), при разведении в 100 раз концентрация Н+ становится 10-4, т.е. рН = 4. В буферных же смесях значение рН зависит от соотношения компонентов буфера. При разведении буферных смесей в тех же пропорциях соотношение их компонентов остается прежним, поэтому значение рН не изменяется. Рассмотрим этот процесс на примере:
и т.д.1.2.2 Механизм обезвреживания кислот и щелочей буферными растворами
При добавлении кислот и щелочей к буферным системам происходит обезвреживание этих кислот и щелочей. Рассмотрим этот процесс на примере ацетатного буфера:
При добавлении кислоты к ацетатному буферу происходит взаимодействие кислоты с солью
Как видно из уравнения, сильная кислота (НСl) заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты (СН3СООН). Повышение концентрации кислоты снижает степень ее диссоциации (по закону разведения Оствальда). В результате концентрация ионов Н+ в растворе остается практически на прежнем уровне.
При добавлении щелочи:
Таким образом, сильная щелочь заменяется эквивалентным количеством слабодиссоциированной соли. Анионы СН3СОО-, образующиеся при диссоциации этой соли, будут оказывать угнетающее воздействие на диссоциацию уксусной кислоты. Поэтому при добавлении кислот и щелочей соотношение компонентов буферной смеси несколько изменяется.
При добавлении небольших количеств кислоты и щелочи они мало влияют на изменение значения рН, однако дальнейшее добавление этих веществ значительно сдвигает рН. Подобным образом работают и другие буферные системы. Следовательно, способность буферных систем стойко удерживать рН на определенном уровне ограничена.
Способность буферной системы противодействовать смещению рН среды определяется ее буферной емкостью.
Буферная емкость определяется свойством буфера и выражается в количестве г-экв сильной кислоты или основания, которое следует добавить на один литр буферного раствора, чтобы сместить рН на одну единицу.
,где В – буферная емкость;
С – количество кислоты, г-экв;
рН0 – водородный показатель до добавления кислоты;
рН1 – водородный показатель после добавления кислоты.
Наибольшей буферной емкостью обладают концентрированные буферные растворы и те буферы, которые состоят из равного количества компонентов, т.е. соотношение кислота/соль равно единице.
1.2.3 Биологическое значение буферных систем
Буферные системы крови обеспечивают постоянство внутренней среды живых организмов. В процессе метаболизма в организме постоянно образуются как кислые продукты (органические кислоты, кислые соли, продукты брожения и др.), так и щелочные соединения (аммиак, кератин, основные аминокислоты и др.) В организме человека образуется от 20 до 30 л кислот в сутки. Однако, рН крови поддерживается на постоянном уровне, колеблясь в ту или другую сторону на 0,05…0,07 единиц. У разных животных рН крови несколько различается.
Кислотно-основные индикаторы – сложные органические соединения, которые в растворах меняют окраску в зависимости от реакции среды, т.е. от значения рН. Окраска индикаторов обусловлена наличием в их молекуле хромофорных групп (азогруппы, хиноидные группы и др.). Индикаторы представляют собой слабые кислоты или слабые основания, которые могут находиться в растворах в диссоциированном или недиссоциированном состоянии. При этом молекулы окрашены в один цвет, а ионы – в другой. Поскольку степень диссоциации зависит от реакции среды, то при различных значениях рН в растворах будет находиться различное количество молекул и ионов, и от их соотношения будет зависеть окраска раствора. Индикаторы, имеющие различную окраску в кислых и щелочных средах, называют двухцветными (метиловый красный, лакмус, диметиламиноазобензол и др.). Индикаторы, имеющие только одну окраску, называют одноцветными (фенолфталеин, нитрофенолы и др.).