4.БУФЕРНІ СИСТЕМИ, КЛАСИФІКАЦІЯ ТА МЕХАНІЗМ ДІЇ

Буферні розчини — це розчини, які здатні досить стійко зберігати сталість концентрації іонів гідрогену при додаванні до них деякої кількості сильної кислоти або лугу, при розведенні або концентруванні. Здатність стійко зберігати сталість рН називається буферною дією.

Буферні системи бувають кислотні, основні та амфолітні. Кислотні складаються зі слабкої кислоти і її солі зі сильною основою. Основні — зі слабкої основи і її солі зі сильною кислотою. Наприклад, ацетатний буферний розчин містить слабку оцтову кислоту й ацетат натру; аміачний буферний розчин — слабку основу гідроксид амонію й хлорид амонію. Амфолітні – розчини амінокислот або білків.

Процеси, що протікають в ацетатному буферному розчині і їх взаємний вплив

СН3СООNa – сіль, сильний електроліт, який повністю дисоціює на іони:

СН3СООNa ↔ СН3СОО- + Na+

Оскільки ацетат-іон – іон слабкої кислоти, то у водному розчині він піддається гідролізу з утворенням оцтової кислоти.

СН3СОО- + Н+ ↔ СН3СООН

         Оцтова кислота – слабка кислота, дисоціює в незначній мірі:

СН3СООН ↔ СН3СОО- + Н+

         Дисоціація її ще більш пригнічується присутністю ацетат-іонів від солі, тому концентрацію непродисоційованої оцтової кислоти можна вважати рівною її молярній концентрації у буферному розчині.

         Константна дисоціації оцтової кислоти згідно з законом діючих мас піддається рівнянню:

                                          4.1.JPG

                        4.2.JPG

Знаходимо від’ємний десятинний логарифм цього виразу:

                                 4.3.JPG

Це є рівняння Гендерсона-Хассельбалха для розрахунку рН кислотного буферного розчину.

Процеси, що протікають в амоніачному буферному розчині і їх взаємний вплив

Амоніачний буферний розчин складається зі слабкої основи – амонію гідроксиду та солі – амонію хлориду. Амоній гідроксид дисоціює частково, а амоній хлорид – повністю

NH4OH = NH4+ + OH- 

NH4Cl = NH4+ + Cl-     

Для першої рівнотерези записуємо константу дисоціації:

 

                                                    4.4.JPG

Оскільки сіль продисоціювала повністю концентрація NH4+ дорівнює молярній концентрації солі, а концентрація непродисоційованих молекул амоній гідроксиду – вихідній концентрації основи, оскільки дисоціація пригнічена присутністю одноіменних катіонів. Прологарифмувавши вираз, отримуємо рівняння Гендерсона-Хассельбалха для основних буферних систем:

                       4.5.JPG

Проаналізувавши рівняння Гендерсона — Хассельбалха, доходимо висновку, що рН буферного розчину залежить від сили кислоти (рК), а також від співвідношення концентрацій компонентів. Виходячи із цього, розведення й концентрування буферного розчину до відомих меж не змінює рН. Цю властивість буферних розчинів використовують при аналізі різних біологічних рідин.

Слід відзначити, що рівняння Гендельсона-Хассельбалха не можна застосовувати, якщо:

-концентрація кислоти (основи) і солі відрізняються більше ніж у 100 разів;

-кислота (основа) сильні, бо у цьому випадку не можна нехтувати її дисоціацією;

-кислота (основа) дуже слабка, бо у цьому випадку не можна нехтувати гідролізом солі.

Механізм буферної дії. При додаванні сильної кислоти до кислої буферної системи вона реагує із сіллю (акцептор протонів) і витісняє еквівалентну кількість слабкої кислоти:

CH3COONa + HCl ® CH3COOH + NaCl

CH3COO– + H+ ® CH3COOH

У розчині замість сильної кислоти утворюється слабка кислота й тому величина рН зменшується незначно.

При додаванні до такого ж розчину лугу вона нейтралізується слабкою кислотою (донор протонів) і в розчині з'являється еквівалентна кількість солі, гідроліз якої загальмований присутністю кислоти:

CH3COOH + NaOH ® CH3COONa + H2О

CH3COOH + OH– ® CH3COO– + H2О

У результаті рН майже не збільшується.

При додаванні до основного буферного розчину сильної кислоти вона буде нейтралізована основою:

NH4OH + HCl ® NH4Cl + H2О

NH4OH + H+ ® NH4+ + H2О

Якщо ж до розчину додати луг, то він взаємодіє із сіллю й у результаті замість сильної основи в розчині утвориться еквівалентна кількість слабкої основи:

NH4Cl + NaOH ® NH4ОН +NaCl

NH4+ + OH– ® NH4ОН

У підсумку величина рН в обох випадках змінюється незначно.

Розрахунок рН буферного розчину після додавання до нього сильної кислоти або лугу випливає з механізму буферної дії.

Додавання сильної кислоти:

NaHCO3 + HCl ® H2CO3 + NaCl

4.6.JPG

Гідрокарбонатна (бікарбонатна) буферна система (рН = 6,0-8,0) складається зі слабкої карбонатної кислоти та гідрокарбонат іонів:

Н2СО3 = Н+ + НСО3-

NaHCO3 = Na+ + НСО3-

Фосфатна буферна система

Фосфатна буферна система складається із двох солей — дигідрофосфату натру (слабка кислота) і гідрофосфату натру (сіль). Механізм буферної дії можна представити наступною схемою:

–додавання кислоти:

Na2HPO4 + HCl ® NaН2PO4 +NaCl

HPO42– + H+ ® H2PO4–

–додавання лугу:

NaН2PO4 + NaОН ® Na2HPO4 + H2O

H2PO4– + OH– ® HPO42– + H2O

Розрахунок рН фосфатного буфера проводять за рівнянням:

4.7.JPG