Приготування буферних розчинів 1

лікувального факультету і ФПСЗС з загальної хімії

Тема: Теорія слабких і сильних електролітів.

1. НАВЧАЛЬНІ І ВИХОВНІ ЦІЛІ:

Ознайомити студентів-медиків з основними положеннями теорії електролітичноїдисоціації, з теоріями сильних і слабких електролітів, а також з роллю електролітів в організмі людини. Сформувати уявлення про кислотно-основному рівновазі в організмі людини і біологічних буферних системах, що підтримують кислотно-основний гомеостаз.

МОТИВАЦІЯ ДЛЯ ЗАСВОЄННЯ ТЕМИ:

Підтримка кислотно-основного та електролітного рівноваги в тканинах, біологічних рідинах вкрай важливо для нормального функціонування організму. Зміна електролітного складу призводить до зміни реакції середовища біологічних рідин. По-перше, іони Н + надають каталітичну дію на багато біохімічні перетворення. По-друге, ферменти і гормони проявляють біологічну активність тільки в строго визначеному інтервалі значень рН (наприклад, фермент пепсин, який бере участь у розщепленні їжі в шлунку, активний лише при рН = 1,5). По-третє, навіть невеликі зміни концентрації катіонів Н + відчутно впливають на величину осмотичного тиску в цих рідинах. Підтримка постійної кислотності крові і тканинних рідинах регулюється за допомогою декількох буферних систем. Одним із способів діагностики захворювань є визначення рН шлункового соку, крові, сечі.

ВИМОГИ ДО вихідного рівня знань:

а) поняття про електролітах і неелектролітів;

б) сильні і слабкі електроліти, ступінь електролітичноїдисоціації;

в) теорія електролітичноїдисоціації Аррениуса.

В результаті проведення заняття студент повинен:

· Основні положення теорії електролітичної дисоціації;

· Поняття про сильні і слабкі електролітах;

· Поняття про буферні розчинах;

· Механізм дії буферних розчинів;

· Буферні системи організму.

· Вирішувати розрахункові завдання по обчисленню ступеня дисоціації, концентрації катіонів водню і рН розчинів сильних електролітів;

· Вирішувати розрахункові завдання по обчисленню ступеня дисоціації, концентрації катіонів водню і рН розчинів слабких електролітів;

· Вирішувати розрахункові завдання на обчислення рН буферних розчинів;

· Визначати рН сильних і слабких електролітів різними методами;

· Виконувати розрахункові задачі.

2. ЗВ'ЯЗОК СО суміжних дисциплін:

Отримані знання за розрахунками рН буферних розчинів і буферної ємності необхідні студентам при вивченні біохімії, нормальної і патологічної фізіології, судової медицини, анестезіології, реаніматології, а також загальної та клінічної фармакології.

3. Контрольні питання ПО ТЕМІ ЗАНЯТТЯ:

3.1 Кислотно-основна рівновага в розчинах.

3.2 Дисоціація води. Іонний добуток води. Водневий показник і методи його визначення.

3.3 Буферні системи: визначення, класифікація та механізм дії. Розрахунок pH буферних систем.

3.4 Визначення буферної ємності системи. Від яких факторів вона залежить?

3.5 Буферні системи крові. Механізм кислотно-лужної рівноваги в організмі людини.

4. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

Лабораторна робота № 1

Визначення рН біологічних рідин потенціометричним методом

ЗАВДАННЯ 1. Визначте приблизне значення рН запропонованих розчинів за допомогою універсального індикаторного паперу, для чого занурте смужку індикаторного паперу в досліджуваний розчин і порівняйте забарвлення зі стандартною шкалою. Занесіть дані в таблицю 1.

ЗАВДАННЯ 2. Визначте значення рН тих же розчинів за допомогою рН-метра зі скляним електродом. Розрахуйте концентрацію катіонів водню за формулою: [H +] = 10~ рН і занесіть результати в таблицю.

Таблиця 1 - Визначення рН розчинів

Для кожного буферного розчину визначте значення рН дослідним шляхом і розрахуйте значення рН за рівнянням Гендерсона-Гассельбаха (при цьому відношення концентрацій можна замінити відношенням обсягів, тому що в даному випадку нормальні концентрації кислоти і солі однакові). Дані внесіть в таблицю 2.

1) вкажіть мета роботи;

2) заповніть таблиці;

3) запишіть хімічні рівняння відповідних реакцій;

4) за результатами виконання кожного завдання зробіть відповідні висновки, проаналізувавши, від яких чинників залежить рН і ємність буферних розчинів.

Теоретичні основи КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО РІВНОВАГИ

Згідно іонної теорії КИСЛОТИ - з'єднання, які при електролітичноїдисоціації у водному розчині утворюють іони водню Н +:

НАn # 8644; Н + + Аn~

ПІДСТАВИ - з'єднання, які при електролітичноїдисоціації у водному розчині утворюють іони гідроксилу ОН~:

KtОН # 8644; Kt + + ОН~

Розглядаючи кислотно-основні рівноваги в водних розчинах в подальшому будемо вважати їх наближаються до ідеальних розчинів, тобто активністю іонів нехтуємо (а → с).

Тоді відповідно до закону діючих мас:

Вода проявляє як слабкі кислотні, так і основні властивості (амфоліт): Н2 Про # 8644; Н + + ОН ¯ ,

При 25 о С К (Н2 О) = 1,8 · 10 # 713; 16 (може бути обчислений по електропровідності води). Можна вважати, що С (Н2 О) - величина постійна і дорівнює 55,58 моль / л. отже:

Позначимо К (Н2 О) [Н2 О] = КW. де КW - іонний добуток води - величина постійна при даній температурі не тільки для чистої води, але і для розбавлених водних розчинів будь-яких речовин.

КW = [Н +] · [ОН ¯ ] = 10 # 713; 14 (при 25 о С) (4)

КW дає можливість розрахувати концентрацію Н + при відомій концентрації ОН # 713; і навпаки.

Для чистої води (середа нейтральна):

[Н +] = [ОН ¯ ] = = 10 # 713; 7 моль / л

Якщо [Н +] вище 10~ 7 моль / л, а [ОН ¯ ], Відповідно, нижче, то середовище кисле і навпаки.

При розрахунках [Н +] зручніше висловлювати через водневий показник рН - негативний десятковий логарифм молярної концентрації іонів водню в розчині:

відповідно, рОН = - lg [ОН ¯ ] І рН + рОН = 14 (5)

Величиною рН користуються для характеристики розбавлених водних розчинів. рН <7 – среда кислая; рН = 7 – нейтральная; рН> 7 - лужна.

Для приблизного визначення рН середовища служать кислотно-основні ІНДИКАТОРИ - слабкі органічні кислоти або підстави, іонні і молекулярні форми яких мають різне забарвлення, що вказує на рН середовища. Наприклад, в розчині індикатора метилового оранжевого встановлюється рівновага:

НInd # 8644; Н + + Ind~,

зміщається в залежності від рН середовища.

Універсальний індикатор - це суміш декількох індикаторів, інтервал переходу забарвлення яких охоплюють шкалу рН від 1 до 14. Точність рН не перевищує 0,5 одиниць рН.

Буферними називають розчини, що підтримують певну концентрацію іонів водню (рН) при розведенні і незначно змінюють її при додаванні невеликих кількостей сильних кислот або лугів. До них відносяться:

1. Розчини, що містять слабку кислоту і сіль цієї кислоти і сильної основи (СН3 СООН + СН3 СООNa);

2. Розчини, що містять слабка основа і сіль цього підстави і сильної кислоти (NH4 OH + NH4 Cl);

3. Розчини, що містять суміш солей слабких многоосновних кислот (Na2 HPO4 + NaH2 PO4);

4. Розчини, що містять суміш середньої гідролізу солі і кислої солі цієї ж кислоти (NaHCO3 + Na2 CO3).

Розрахунок рН буферного розчину виробляють по універсальної формули Гендерсона-Гассельбаха:

Покажемо, що буферна суміш, наприклад, СН3 СООН + СН3 СООNa, має здатність в певних межах підтримувати постійним рН розчину.

При додаванні лугу відбудеться реакція:

при цьому відбувається зв'язування іонів ОН~.

При додаванні кислоти протікає реакція:

HCl + CH3 COONa → CH3 COOH + NaCl,

тобто відбувається зв'язування іонів Н +.

рН буферного розчину залежить від співвідношення концентрацій солі і кислоти. Змінюючи це відношення можна отримати буферний ряд, тобто серію розчинів з послідовно змінюється величиною рН.

Буферної ємності називається кількість речовини еквівалента сильної кислоти або лугу (моль), необхідне для зсуву рН 1 л буферного розчину на одну одиницю.

де # 916; b - кількість доданої лугу або кислоти;

рН0 - водневий показник вихідного буферного розчину;

рН1 - водневий показник буферного розчину після додавання сильної кислоти або лугу.

Буферна ємність розчину тим вище, чим більше концентрації компонентів і чим менше ці концентрації розрізняються між собою.

Розведення розчину не впливає на зміну рН, але сильно впливає на величину буферної ємності.

Підтримання постійного рівня рН в крові і тканинних рідинах досягається завдяки наявності декількох буферних систем. Найважливіші з них:

1. Гідрокарбонатна буферна система характеризується рівновагою молекул слабкої вугільної кислоти з утворюються при її дисоціації гідрокарбонат-іонами:

В організмі вугільна кислота утворюється при гідратації СО2 - продукту окислення органічних речовин:

Процес прискорюється ферментом карбоангидразой.

2. Фосфатна буферна система характеризується рівновагою:

3. Буферна система оксигемоглобін-гемоглобін, на частку якої припадає приблизно 75% ємності крові, характеризується рівновагою між іонами гемоглобіну Нb~ і самим гемоглобіном ННb (дуже слабка кислота, КННb = 6,3 # 8729; 10 # 713; 9; рКННb = 8,2):

Нb~ + Н + # 8644; ННb (3а)

Нb ¯ + Н2 Про # 8644; ННb + ОН ¯. (3б)

а також між іонами оксигемоглобіну НbО2 ~ і самим оксигемоглобіном ННbО2 (сильніша кислота, ніж ННb кислота - К (ННbО2) = 1,12 # 8729; 10 # 713; 7. рК (ННbО2) = 6,95):

Гемоглобін і оксигемоглобін пов'язані рівновагою:

При надходженні в кров сильних кислот значна частина іонів Н + негайно ж зв'язується з іонами НСО3 ~, НРО4 2 # 713 ;, Нb~ і НbО2 ~ відповідно до рівнянь:

КНb + HCl # 8644; ННb + KCl

NaHbО2 + HCl # 8644; ННbО2 + NaCl

Ці ж буферні системи обмежують зростання рН при надходженні в кров лугів. Іони гідроксилу взаємодіють з вільними Н2 СО3. ННb, ННbО2 і іонами дигидрофосфата за схемами:

HНb + NaOH # 8644; NaНb + Н2 Про

Таким чином, всі буферні системи крові і тканинних рідин утворюють єдину взаємопов'язану систему.

6. Питання для самоконтролю знань:

6.1 Слабкі електроліти. Ступінь дисоціації, константа дисоціації.

6.2 Сильні електроліти. Іонна сила, коефіцієнт активності, активність.

6.3 Буферні системи: визначення, класифікація та механізм дії. Розрахунок рН буферних систем.

6.4 Визначення буферної ємності системи. Від яких факторів вона залежить?

6.5 Буферні системи крові. Механізм кислотно-лужної рівноваги в організмі людини.

Завдання для самостійної роботи:

1. Константа кислотності оцтової кислоти дорівнює 1,8 · 10 # 713; 5 (25 о С). Обчислити ступінь її дисоціації в 0,005 М розчині і рН розчину.

2. Розрахуйте іонну силу розчину, активність іона Н + і рН 0,01 М розчину HCl.

3. Чому дорівнює концентрація гідроксид-іонів в розчині, рН якого дорівнює 10,8?

Відповідь: 6,3 # 903; 10 # 713; 4 моль / л

4. Розрахуйте рН буферного розчину, що містить 1 л 0,1 моль оцтової кислоти і 0,01 моль натрій ацетату. Ка (СН3 СООН) = 1,8 · 10 # 713; 5. Як зміниться рН при додаванні до 1 л розчину: а) 0,001 моль HCl; б) 0,001 моль NaOH?

Відповідь: 3,785; 0,05; 0,05

1. Конспект лекцій;

3. Ленський, А.С. Введення в біонеорганічної і біофізичну хімію: Навч. посібник для студ. мед. вузів А.С.. Ленський. - М. Вища. шк, 1989. - C. 143-160.

Схожі статті