М.В. Медведева - Растворы (1123330), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Буферные растворы.В самом широком смысле буферными (буфер - от англ. b u ff—смягчать удар) называют системы, поддерживающие определенноезначение какого-либо параметра при изменении их состава.Буферныерастворымогутбытькислотно-основными(поддерживают постоянное значение pH при введении в системукислот или оснований) и окислительно-восстановительными(сохраняют постоянным потенциал системы при введенииокислителей или восстановителей). Известны металлобуферныерастворы (в них поддерживается постоянная концентрация ионовметаллов) и др.
Рассмотрим кислотно-основные буферные системы.Почти каждый биологический процесс зависит от pH, а самоенебольшое изменение pH вызывает существенные изменения вскорости этого процесса. Это справедливо не только длямногочисленных реакций, в которых непосредственно участвуютпротоны, но и для других процессов, поскольку величина pHопределяет степень ионизации молекул и, соответственно, силуионных взаимодействий.
Так определенное значение pH средыобеспечивает стабилизацию белковых молекул и их взаимодействиядруг с другом, связывание ферментов с субстратами и регуляторами,состояние фосфолипидов мембран и т.п. Даже незначительныесдвиги pH в клетке приводят к нарушению нативной структурыбелков (в частности, ферментов), вызываяизменение ихбиологическойактивности,кнарушениюпроницаемостимембранных структур клетки, а, следовательно, распределениюмолекул и ионов по обе стороны мембраны и т.д.Большинство внутриклеточных процессов протекает принейтральных значениях pH (7,2-7,4), - в этих условиях их скоростьмаксимальна.
Однако есть много исключений. Так pH желудочногосока 1,0-2,0, и именно при этом значении pH фермент пепсин,гидролизующийбелкивжелудке,обладаетнаибольшейактивностью.Гидролазылизосом обладаютмаксимальнойактивностью при pH 5,0.Постоянная величина pH внутри организма поддерживается спомощью эффективных буферных систем, которые препятствуют50изменениям pH, возникающим в ходе метаболического образованиякислот (например, молочной, ацетоуксусной) и оснований(например, аммиака).Направленное изменение pH in vitro может существеннооблегчить изучение свойств макромолекул, механизмов ихвзаимодействия, определение их активности и способов еёрегуляции.Поэтомувлабораторииширокоприменяют«нефизиологические» буферные растворы.Кислотно-основные буферные раст воры - это растворы,способные противодействовать изменению водородного показателяпри разведении и при добавлении к ним небольших количествкислоты (Н ) или основания (ОН).Буферный раствор представляет собой сопряженную кислотноосновную пару: слабая кислота (донор протонов) и сопряженное сней основание (акцептор протона), либо слабое основание исопряженная с ним кислота.
Одним из примеров буферной системыможет служить смесь уксусной кислоты и ацетат-иона.На кривой титрования уксусной кислоты щелочью (рис. 10),когда концентрации уксусной кислоты и ацетат-иона близки,отчетливо виден относительно прямой участок, на котором значенияpH при добавлении ОН' (или Н ') существенно не меняются. Этотучасток представляет собой буферную область и распространяетсяпримерно на одну единицу pH от средней точки, в которой pHравняется рКа (рис.
10). Именно в этой точке по уравнению (41),известномукакуравнениеХ(Г)ендерсона-Х(Г)ассельбаха,концентрациинедиссоциированнойкислотыиеёдепротонированной формы равны, а система обладает максимальнойбуферной ёмкостью - т.е. добавление к системе ионов Н и ОН'вызывает минимальные изменения значения pH. В общем видеуравнениеХ(Г)ендерсона-Х(Г)ассельбаха(41),отражающеезависимость pH от рКа сопряженной кислотно-основной пары иконцентрацийкомпонентовбуфернойсистемы,выглядитследующим образом:pH = рКа + lg ([акцептор протонов] / [донор протонов])(41а)(Величина pH любой буферной системы при добавлении небольшогоколичества ОН' или Н+ все же немного изменяется, однако эти изменения оченьмалы по сравнению с теми, которые бы имели место при добавлении того жеколичества щелочи или кислоты к воде или к раствору соли сильной кислоты исильного основания (например, NaCI), не обладающим буферными свойствами(табл. 6)).51Таблица 6.
Изменение pH воды и 0,1 М ацетатного буферного растворапри добавлении сильной кислоты или щелочи.Добавленное вещество-0,01 моль НС10,01 моль NaOHВода(1 л)7,02,012,0Значение pH0,1 М ацетатный буфер (1 л)4,654,564,73Буферные свойства - следствие равновесий двух обратимыхреакций (рис. 12). Молекулы слабой недиссоциированной уксуснойкислоты (СН 3СООН) - доноры протонов - в растворе находятся вравновесии с депротонированными ионами(СН 3С О О ). Придобавлении к такой системе ионов ОН’ нарушается равновесиедиссоциации молекул воды, а величина Kw становится больше 10"14(при 25°С). Нарушенное равновесие быстро восстанавливается засчет того, что дополнительные молекулы кислоты депротонируются,отдавая свой протон на нейтрализацию ОН' с образованием молекулводы. В результате величина pH раствора практически не меняется.Аналогичным образом, добавленные к буферному раствору протоны(Н+) связываются с ацетат-иономсобразованиемслабойуксусной кислоты, - при этом pH раствора также практически неменяется.
В обоих случаях реакции ионизации кислоты и водырегулируют друг друга и приходят в состояние равновесия.IW = [Ht][OIT]O ffН20СН3СООНСН3СОО‘н+К а= [Н*][СН3С О О ], [СН3СО ОН]Рис. 12. Система равновесных реакций, демонстрирующаябуферные свойства раствора слабой уксусной кислоты исопряженного с ней основания (см. объяснения в тексте).Таким образом, способность раствора функционировать вкачестве буфера - следствие протекающих в нем двух обратимых52реакцийиустановлениясоответствующихравновесий,определяемых константами равновесия этих реакций Kw и Ка.Уменьшение концентрации одного из компонентов буфернойсистемы при добавлении небольшого количества кислоты илиоснования точно уравновешивается повышением концентрациидругого компонента. Сумма компонентов буферной системы приэтом не изменяется, меняется лишь их соотношение (его логарифмменяется мало).
Следовательно, можно записать уравнениематериального баланса буфера:Сбуф= [НА] + [А"](42)Буферные растворы сохраняют постоянное значение pH лишьпри добавлении определенных количеств кислоты или основания,при повышении которых pH раствора резко меняется.При разбавлении буферного раствора его pHне долженменяться (41), т.к.
неизменным остается соотношение [А‘]/[НА].Однако на практике это не так, поскольку буферные растворы неявляются идеальными (см. выше, (14), (18), (19)). В таблице 7представлены коэффициенты активности (у) некоторыхионовчасто используемых буферных растворов.Таблица 7. Коэффициенты активности некоторых ионов вводных буферных растворах.ИонН+ОН'Ас'Н 2Р 0 4"Н Р 0 42"Р 0 43'цитрат'цитрат2'цитрат3'0,001 М0,980,980,980,980,900,800,980,900,80Концентрация буфера0,01 М0,930,930,930,930,740,510,930,740,510,1 М0,860,810,820,740,450,160,810,450,18Из табл.
7 следует, что чем выше концентрация буфера и зарядобразующих его ионов, тем сильнее будет меняться значение pH приего разведении. Это связано с тем, что при высокой ионной силераствора в уравнении (41) следует пользоваться величинамиактивности ионов и нельзя не учитывать коэффициенты активности53(см. выше), которые существенно отличаются от единицы (табл. 7).Разведение разбавленных буферов (для которых коэффициентыактивности близки к 1 , и, следовательно, величины концентраций иактивностей практически совпадают) не приводит к заметномуизменению pH. Однако это верно до тех пор, пока, рассматриваябуферную систему, можно не учитывать диссоциации воды.Количественнойхарактеристикойбуферногораствораявляется буферная ёмкость (/3).
Эта величина определяетсяколичеством эквивалентов (молей) сильной кислоты или сильногооснования, которое требуется добавить к 1 л буферного раствора,чтобы изменить значение его p H на единицу (43).где(3=db/d(pH) или (3=-da/d(pH)(43)d(pH) - изменение pH раствора при добавлении щелочиили кислотыdb - добавленная щелочьda - добавленная кислота (знак минус указывает науменьшение pH при добавлении сильной кислоты)Буферная ёмкость зависит от ряда факторов: 1) от суммарнойконцентрации компонентов кислотно-основной пары - чем онавыше, тем буферная ёмкость больше; 2 ) от соотношенияконцентраций донора и акцептора протонов, а, следовательно, от pHбуферного раствора - буферная ёмкость максимальна при рН=рКа,когда отношение [акцептор протона]/[донор протона]=1. Есликонцентрация одного из компонентов в 10 и более раз отличается отконцентрации другого, буферные свойства системы проявляютсяслабо.Как уже отмечалось выше, система будет играть роль буфералишь при рН=рКа± I .
Следовательно, ацетатный буфер (для уксуснойкислоты рКа=4,76) не будет обладать буферными свойствами принейтральных значениях pH (рис. 10, 13). При физиологическихзначениях pH (в т.ч. pH крови, равной 7,4) эффективным буферомбудет сопряженная пара Н 2Р 0 4' - Н Р 0 42' (рКа= 6 , 8 6 ) (рис. 13). ПараNH4+ - NH 3 (рКа=9,25) обладает буферными свойствами прищелочных значениях pH (8,25-10,25) (рис. 13).
Таким образом, длякаждой сопряженной кислотно-основной пары характерна свояобласть pH, в которой он может служить эффективной буфернойсистемой (табл. 8 ).Основными требованиями, предъявляемыми к буфернымраст ворам, применяемым для биологических исследований,54pH»!------------------L_ --------0 ,51,0Степень оттитрованности, fРис. 13. Кривые титрования трех слабых кислот: уксусной,Н 2РО 4' и NH4+ [http://www.bioinfo.org.cn/book/biochernistry].являются следующие:1) Достаточная буферная ёмкость в требуемом диапазонезначений pH;2) Высокая степень чистоты;3) Хорошая растворимость в водных системах;4) Отсутствие взаимодействий (минимальные взаимодействия)с неорганическими катионами (образование комплекса скатионами с одной стороны уменьшает связываниепротонов, что приводит к возрастанию pH, с другой - этикатионы могут участвовать в биохимических реакциях);5) Химическая стабильность (в первую очередь к окислению исвету);6 ) Устойчивость к действию ферментов и гидролизу;7) Отсутствие токсического и ингибирующего действия;8 ) Отсутствие поглощенияв видимой и ультрафиолетовойобластях спектра (при длине волны 240-700 нм);9) Слабое влияние на константу их диссоциации концентрации,температуры и ионного состава среды (pH буферныхрастворов должен как можно меньше зависеть от этихпараметров).55Таблица 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
