Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 28
Текст из файла (страница 28)
График, отражающий зависимость рН тптруемого раствора от концентрации добавленного основания, называется кривой титрования. Из этого графика можно определить величину рк, слабой кислоты. Проследим за ходом титрованпя О,! М раствора уксусной кислоты (для простоты обозначим ес здесь как НАс) с помощью О,! М раствора ХаОН при 25 'С (рис. 2-16). Процесс включает в себя две обратимых реакции: Е!го = П' + ОН (2 5) НАс = Н'+ Ас (2-6) Эти реакции характеризуются соответствуюшп- ми константами равновесия: К„= [Н'][ОН ] =1.!О '" Мг (2-7) [Н'ЦАс ] К.„= = 1,?4 10' М (2-8) В начале титрования, до добавления ХаОН, уксусная кислота уже слегка ионизована, причем степень ее ионизации можно определить, зная константу диссоциации (уравнение 2-8).
По мере добавления ХаОН ионы Он- соедпняются со свободными ионами Н" и образуют молекулы воды. При этом концентрации обоих ионов в растворе должны постоянно соответствовать значению ионного произведения воды (уравнение 2-7). Как только свободные ионы Н оказываются связанными, уксусная кислота НАс днссо- 2.2 Ионизация воды, слабые кислоты н слабые основания [95] рН 5,76 Буферная зона 5 щ рН 3,76 13 12 Рнс. 2-16. Кривая титрования уксусной кислоты. После добавления каждой порции НаОН к раствору уксусной кислоты измеряют значение рН. Эту величину откладывают по оси ординат, тогда как по оси абсцисс откладывают долю общего количества НаОК требуемого для превращения всей уксусной кислоты в депротонированную форму, т.
е. а ацетат. По полученным точкам проводят кривую титроаания. В рамках указаны преобладающие ионные формы уксусной кислоты при соответствующих значениях рН. В средней точке кривой титровання концентрации донора и акцептора протонов равны, а значение рН в этой точке численно равно значению РК,. 3она, выделенная голубым цветом, соответствует буферной зоне системы (когда ионизовано от 10 до 90% тнтруемой уксусной кислоты). 1О цинрует палее н соответствии с собственной константой диссоциации (уравнение 2-8).
В результате по мере добавления щелочи концентрация НАс постоянно уменьшается, а концентрация аниопа Ас увеличивается. В средней точке титрования, точно ссютветствующей добавлению 0,5 эквивалентов МаОН, половина исходной кислоты находится в диссоциированной форме, а это значит, что концентрация донора протона НАс стаповгггся равной концентрации акцептора Ас . В этой точке соблюдается очень важное соотношение: значение рН раствора, содержащего равныс молярные концентрации уксусной кислоты и иона ацетата, а именно 4,76, точно равно значению рК, уксусной кислоты (сравните значения на рис.2-15 и 2-16).
Число экаяаалс~поа ОН 100% 50 Доля оттнтроааннай кислоты 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Число зканвалснтоа ОН 0 50 100% Доля оттнтрованной кислоты Скоро нам станет ясен смысл этого соотношения, которое соблюлается для всех слабых кислот. По мере того как мы продолжаем тптрованис, добавляя поные порции )чаОН, оставшаяся неднссоциированная кислота постепенно превращается в ацетат. Конечная точка тзпрования наблгодается около рН 7,0: вся уксусная кислота перс!!ала свои протоны аниоцам ОН, в результате чего образовались вода и ацетат.
На протяжении всего процесса титровання существуют два взаимосвязанных равновесия (уравнения 2-5 и 2-6), каждое из которых характеризуется своей константой равновесия. На рис. 2-17 сравниваются кривые тптрования трех слабых кислот с сильно различающимися константами диссоциации: уксусной кислоты Буферная зона ~ — 10,25 Ынз — к — 8,25 -7,86 Фосфат ~ 5,86 5,76 Анстат -з — 3,76 1 !. 0 —.
0 0,1 0,2 0,3 ОИ 0,5 0,6 0.7 0,8 0.9 1.0 Рис. 2-17. Сравнение кривых титрования трех слабых кисяог. СНзСООН, Н,РОС и ННС. В рамках указаны преобладающие ионные формы этих соединений при соответствующих значениях рН. Справа указаны соответствующие буферные зоны. Сопряженные кислотно-основные пары являются эффективными буферными системами при тех значениях рК при которых доноры протонов ионизованы на 10-90Ч .
[96] Часть 1. 2. Вода (рК., = 4,76), дигидрофосфат-иона (рК„. = 6,86) н иона аммония (рК„. = 9,25). Кривые титрования этих кислот имеют одинаковую форму, но соответствуют разным значениям рН, поскольку кислоты различаются по своей силе. уксусная кислота имеет наиболее высокое значение К, (самое маленькое рК.,) и является самой сильной из этих трех слабых кислот (легче других отдает свой протон); при рН 4,76 она уже наполовину диссоциирована.
Дигидрофосфат отдает протон труднее; он диссоциировап наполовину при рН 6„86. Самой слабой из трех кислот является ион аммония, он диссоциирует на 50% лишь при рН 9,25. Самый важный вывод, который можно сделать па основании кривых титровапия слабых кислот, состоит в том, что характер этих кривых указывает на возможность использования слабых кислот и их аиионов в качестве буферов, которые будут описаны далее.
Краткое содержание раздела 2.2. ИОНИЗАЦИЯ ВОДЫ, СЛАБЫЕ КИСЛОТЫ И СЛАБЫЕ ОСНОВАНИЯ ° Чистая вода слабо ионизована; в ней содержатся равные количества ионов водорода (ионОВ Ги!ц)оксоиия Н30 ) и Ги|цх)ксид иОнОВ Степень ионизации воды характеризуется [Н'][ОН ] константой РВВновесия К = [Н О] . Из этого выражения можно вывести значение ионного произведения воды (К„.). При 25 С К„.= [Н'ИОН ] =55,5К= 10-" Мх. ° Значение рН водного раствора отражает концентрацию ионов водорода в логарифмических единицах: рН = 18(1/[Н ]) = — 18[Н ]. ° Чем выше кислотность раствора, тем ниже его РН.
Слабые кислоты частично диссоциируют с высвобождением иона Водорода, снижая тем сал)ыы рН водного раствора. Слабые основания принимают протон, повышая РН. Тенденция принимать или отдавать протон для каждого конкретного основания или кислоты характеризуется константой диссоциации (К„): [Н'][А ] [НА] ° Значение РК., отражает относитсльнун) силу слабого основания или кислоты в логарифмических единицах: РК, = 1К(1/К.„) = — 18К„. ° Чем сильнее кисл)ла, тем ниже рК, этой кислоты; чем сильнее основание, тем выше рК.„ этого основания. Значение рК„можно определить экспериментатьпо: оно равно значению РП в средней точке кривой титрования данной кислоты или основания. 2.3. Роль буферных систем в поддержании рН в биологических системах Почти каждый биологический процесс зависит от РН; даже незначительныс изменения рН могут вызвать сильные изменения скоростей процессов.
Это справедливо не ~олько для тех реакций, в которых напрямую участвует ион Н . по и для тех, в которых он, как может показаться, не принимает никакого участия. Ферменты, катализирующие многие реакции в клетке, и различные молекулы, на которые они так нли иначе воздействуют, содержат ионизируемые группы и характеризуются определенным значением рК,. Например, протонированные ампногруппы и карбоксильныс группы в аминокислотах, а также фосфатные группы в нуклеотидах выступают в качестве слабых кислот; их состояние ионизации зависит от рН среды. (Если ионизируемая группа спрятана вглубь белка, а не экспонировапа на его поверхности, окруженной водным раствором, соответствующее значение рК„., т.
е. кажущееся значение рК„ может сильно отличаться от рК,, в воде.) Ранее мы уже отмечали, что ионные взаимолействия важны для стабилизации белковых молекул В позволяют ферментам узнавать и связывать свои субстраты. В клетках живых организмов поддерживается постоянное значение рН, соответствующее оптимальному состоянию иопизации биомолекул (обычно около 7). Значение рН во внеклеточиой жидкости у мнопжлсточных организмов также строго регулируется. Постоянство рН достигается в первую очередь с помощью биологических буферов — смесей слабых кислот и сопряженных оснований. 2.3 Роль буферных систем в поддержании рН в биологических системах [97[ к„.=[н[[он.1 УкгУснал кислота НАе Ае Ацетат [Н'1 [Ае ! [НАе1 Буферы — это смеси слабых кислот и сопряженных оснований Буферы представля[от собой водные системы, способные препятствовать изменению рН при добавлении небольших количеств кислоты (Н') или основания (ОН ).
Буферная система состоит из слабой кислоты (донора протона) и сопряженного с ней основания (акцсптора протона). Примером буферной системы может служить смесь равных концентраций уксусной кислоты и ацетата, которая образуется в средней точке кривой тнтрования, показанной на рис. 2-16. Обратите внимание, что кривая титрования уксусной кислоты имеет относительно прямой участок, распространяющийся приблизительно на олпу единицу рН в каждую сторону от средней точки, соответствующей рН 4,76.
При увеличении концентрации ионов Н" илн ОП в этой области происхолит лишь слабое изменение рН, которое намного меньше, чем изменения, возннкаюшис при добавлении такого жс количества этих ионов эа пределами данного участка. Этот отп<кнтельно плоский участок кривой соответствует буферной зоне сопряженной кислотно-основной пары уксусная кислота/ацетат. В средней точке буферной зоны, где концентрация донора протона (уксусной кислоты) точно ранна концентрации сопряженного основания (ацетата), буферная емкость систел<ы максимальна.
Это означает, что увеличение концентрации ионов Н или ОН в этой области вызывает минимальцыс изменения РН. Значение рН в средней точке кривой титронания точно равно значению РКе титруемой кислоты. При добавлении небольцшх количеств ионов Н' или ОН в ацетатный буфер его рН несколько изменяется, но эти изменения несоизмеримо слабее тех, которые наблюдаются при добавлении тех жс количеств ионов в чистую воду или в раствор соли сильного основания и сильной кислоты (например, [ч[аС!), не обладающей буферной емкостью. Буферная емкость является результатом равновесия двух обратимых реакций, протекаюших в растворе, содержащем приблизительно равныс концентрации донора протонов и сопряженного с ннм акцсптора. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
