Системы, которые создают и поддерживают физиологическую концентрацию ионов водорода. Для поддержания рН лекарственных растворов, предназначенных для инъекций, применяют бикарбонатный буфер.

Различают два типа буферных систем - кислотные и основные. Кислотные буферные системы состоят из слабой кислоты и её соли с каким-либо сильным основанием. Основные буферные системы состоят из слабого основания и его соли с какой-либо сильной кислотой. Для вычисления концентрации ионов водорода и рН в буферных растворах слабых кислот и их солей, образованных сильным основанием, применяют уравнение буферного действия Гендерсона-Гассельбаха:

рН = рК_к + lg (С_соли / С_{кислоты)}

Аналогичное уравнение используют для расчета концентрации ионов ОН^- и рОН буферных растворов, образованных слабыми основаниями и их солями с сильными кислотами:

рОН = рК_о + lg (С_соли / С_{основания)}

В этих уравнениях рК_к и рК_о – показатели кислотности или основности, представляющие собой отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации слабой кислоты или слабого основания, а С_соли, С_{кислоты} и С_{основания} – молярные концентрации соли, кислоты или основания.

Водородный и гидроксильный показатели взаимосвязаны через показатель ионного произведения воды:

рК_w = рН + рОН

Поэтому, рН основных буферных систем можно определять следующим вариантом уравнения Гендерсона-Гассельбаха:

рН = рК_w – рК_о - lg (С_соли /С_{основания})

Таким образом, из уравнения следует, что рН буферного раствора зависит от природы слабого электролита (рК_к,, рК_о) и от соотношения концентраций соли и кислоты или основания.

Способность буферных растворов сохранять устойчивую концентрацию ионов водорода измеряется буферной емкостью. Это количество сильной кислоты или основания в молях, которое надо добавить к 1 литру буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу. Различают буферную емкость по кислоте В_к и по основанию

В_о, которые рассчитываются по уравнениям:

 

В_к = С(¹/_zHA) V(HA) / (pH – pH₀) V_b

В_о = С(¹/_zВ) V(В) / (pH – pH₀) V_b;

 

где С(¹/_zHA), С(¹/_zВ) – молярные концентрации эквивалента кислоты и щелочи; V(HA), V(В) – объемы добавленных кислоты или щелочи; pH₀, pH – значения рН буферного раствора до и после добавления кислоты или щелочи; V_b – объем буферного раствора в литрах.

Величина буферной емкости зависит от концентрации слабой кислоты или основания и их соли в растворе, а также от соотношения этих концентраций. Чем выше концентрация кислоты или основания и их соли и чем ближе соотношение концентрации кислоты или основания и их соли к единице, тем больше буферная емкость раствора.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

 

1. К 15 мл 0.03 М раствора НСООН добавили 15 мл 0,03 М раствора HCOONa. Вычислите рН полученного буферного раствора. К_d = 1,77 ×10^-4.

 

Дано: V,=V2= 15 мл С1 = С2 = 0,03 моль/л Кd = 1,77 ×10-4	Решение: учитывая, что объем растворов входит и в числитель, и в знаменатель рH =рК + lg([НСОО-]/[НСООH]) = 3,75 + lg(15×0,03/(15×0,03)) = 3,75
рH =?	Ответ: 3,75

 

2. Как изменится рН буферного раствора, содержащего 0,1 М СН₃СООН и 0,1 М CH₃COONa, при добавлении: а) 0,001 М НС1; б) 0,001 М NaOH? К_d = 1,8×10^-5.

Решение:

В буферной смеси [H⁺] = K_d × lg(C_k/C_c) = 1,8 ×10^-5

pH = pK_d = -lg1,8 ×10^-5 = 4,75

При добавлении соляной кислоты:

CH₃COONa + HCl → CH₃COOH + NaCl

[CH₃COOH] = 10^-1 + 10^-3 = 1,01 ×10^-1

[CH₃COONa] = 10^-1 – 10^-3 = 0,99 ×10^-1

[H⁺] = 1,8×10^-5 × 1,01×10^-1/0,99 ×10^-1 = 1,76 ×10^-5

pH = pK_d = -lg1,76 ×10^-5 = 4,76

При добавлении щелочи:

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

[H⁺] = 1,8 ×10^-5 × 0,99 ×10^-1/1,01 ×10^-1 = 1,76 ×10^-5

pH = pK_d = -lg1,76 ×10^-5 = 4,76

Ответ: pH практически не меняется

 

3. Рассчитайте буферную ёмкость сыворотки крови по кислоте, если на титрование 50 мл сыворотки для изменения её рН от 7,4 до 7,0 было затрачено 10 мл 0,1 N раствора НС1.

 

Дано: рН1 = 7,4 рН2 = 7,0 V(p-pa HCl) = 10 мл С(НС1) = 0.1 моль/л V(сыв.) = 50 мл	Решение: В(Х) = n(Х)/(V(буф.р-ра) × ∆рН) n(HC1) = 0,01 × 0,1 = 1 ×10-3 моль ∆рН= рН1 - рН2 = 7,4 - 7,0 = 0,4 В(НС1) = 1 ×10-3/(0,05 × 0,4) = 0,05 моль/л
В(НС1) =?	Ответ: 0,05 моль/л

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Какие растворы (смеси) называют буферными?

2. На какие типы делятся буферные растворы? Приведите примеры.

3. Каков механизм буферного действия на примере ацетатного буферного раствора?

4. Каков механизм буферного действия на примере аммиачного буферного раствора?

5. Как объяснить тот факт, что при добавлении небольших количеств сильных кислот, щелочей и разбавлении кислотность

раствора практически не меняется?

6. Приведите вывод уравнения для расчета рН в буферных растворах кислотного и основного типа?

7. Что понимают под: а) буферной ёмкостью раствора; б) буферной силой раствора? От чего они зависят?

8. Кислотно-основновное равновесие и буферные системы в организме человека. Какие нарушения кислотно-основного равновесия наблюдаются в организме? Приведите примеры.

9. К 20 мл 1%-ного раствора NH₄N0₃ (r = 1 г/мл) добавили 1 мл 0,5 М раствора аммиака. Раствор разбавили в мерной колбе до 100 мл. Вычислите рН полученного раствора. Кd = 1,8 ×10^-5, рК = 4,75. Ответ: 8,55.

10. К 25 мл 0,2 М раствора КН₂Р0₄ прибавили 15 мл 0,2 М раствора

К₂ НР0₄. Вычислите рН полученного раствора. K_d2 = 6,3 ×10-8, рК₂ = 7,2. Ответ: 6,98.

11. К 12 мл 0,03 М раствора НСООН прибавили 15 мл 0,15 М раствора НСООK. Вычислите рН полученного раствора.

К_d = 1,8 ×10^-4, рК = 3,75. Ответ: 4,55.

12. Вычислите рН раствора, в 500 мл которого содержится 1 г НСООН и 1 г НСООК. К_d = 1,8 ×10^-4, рК = 3,75. Ответ: 3,49.

13. Смешали поровну 0,5%-ные растворы аммиака и нитрата аммония с плотностью каждого из них 1 г/мл. Найдите рН полученного раствора. Кd = 1,8 ×10-5, pK = 4,75. Ответ: 9,92.

14. Сколько мл 0,2 М раствора карбоната натрия надо добавить к 10 мл 0,3 М раствора гидрокарбоната натрия, чтобы получить раствор с рН = 10? К_d2 = 4,7 ×10^-11, рК₂ = 10,33. Ответ: 7 мл.

15. Сколько (г) Na₂C0₃ надо добавить к 100 мл 0,3 М раствора NaHC0₃, чтобы получить раствор с рН 10?К_d2 = 4,7×10^-11, рК₂ = 10,33. Ответ: 1,49 г.

16. Сколько (моль эквивалентов) щелочи нужно добавить к 1 мл буферного раствора, чтобы изменить рН от 7,36 до 7,50, если буферная емкость его равна 0,034 моль/л?

 

Образец билета тестированного контроля по теме «Буферные растворы»

 

1. Какая из смесей обладает буферным действием?

а) СН₃СООН и НС1 б) СН₃СООК и СН₃СООNa

в) СН₃СООNa и NaC1 г) NH₄OH и NH₄С1

2. Какой из растворов имеет наибольшую буферную емкость?

а) 0,5 М СН₃СООН и 0,3 М СН₃СООNa б) 0,3 М СН₃СООН и 0,5 М СН₃СООNa

в) 0,3 М СН₃СООН и 0,3 М СН₃СООNa г) 0,5 М СН₃СООН и 0,5 М СН₃СООNa

3. При каких значениях рН крови в организме развивается алкалоз?

а) 7,4 б) 5,6 в) 7,0 г) 8,0

4. Какая из буферных систем организма имеет наибольшую емкость?

а) фосфатная б) гемоглобиновая в) белковая г) бикарбонатная

5. рН ацетатной буферной смеси, состоящей из 200 мл 0,1 N раствора кислоты (К_d = 1,8 10^-5) и 100 мл 0,05 N раствора ее соли равен:

а) 4,0 б) 5,4 в) 7,1 г) 8,0

 

Ответы на задания образца билета ТК:

Номер вопроса
Код ответа	г	г	г	Г	а

 

Оценка задания.Число правильных ответов:

1, 2. 6 баллов (неудовлетворительно)

3. 7 баллов (удовлетворительно)

4. 8 баллов (хорошо)

5. 9 баллов (отлично)

 

Лабораторная работа:Приготовление буферных растворов и изучение их свойств

Цель работы:научитьсяготовить буферные растворы; рассчитывать рН; наблюдать механизм буферного действия при

добавлении воды или небольшого количества кислоты.

Приборы и реактивы:

1) пробирки, конические колбы на 100 мл, мерные пипетки на 10 и 2 мл;

2) растворы: уксусной кислоты (С = 0,1 моль/л), ацетата натрия (С = 0,1 моль/л), соляной кислоты (С = 0,1 моль/л);

3) универсальный индикатор.

Ход работы:

Задание 1. Приготовить растворы, смешивая 0,1 М растворы СН₃СООН и СН₃СООNa, используя соотношения из таблицы. Рассчитайте рН по уравнению:

рН = рК_к + lg С_соли / С_{кислоты}

и определите опытным путем.

 

Раствор
Объем 0,1М раствора СН3СООН, мл Объем 0,1М раствора СН3СООNa, мл рН вычисленный рН экспериментальный

 

Определение рН раствора опытным путем.Полоску универсальной индикаторной бумаги помещают в полученные растворы и сравнивают окраску со стандартной шкалой рН. Полученные данные занести в таблицу.

Задание 2. Установление свойств буферных систем:

 

а) влияние разбавления. В две пробирки наливают по 2 мл буферного раствора № 2 из первого задания. Затем в первую добавляют 2 мл, а во вторую – 4 мл воды. Растворы перемешивают и определяют рН с помощью универсального индикатора. Результаты записывают в таблицу:

 

	Исходный раствор	2 мл раствора 2 + 2 мл воды	2 мл раствора 2 + 4 мл воды
рН

б) влияние добавления кислоты. В одну пробирку наливают по 2 мл буферного раствора №3 из первого задания, а в другую – 2 мл воды и определяют рН с помощью универсального индикатора. Затем в обе пробирки добавляют по 2 капли 0,1 М раствора НС1. Растворы перемешивают и определяют рН с помощью универсального индикатора. Результаты записывают в таблицу:

 

Системы	Исходное значение рН	рН после добавления НС1
Буферный раствор 3 Вода

 

Объяснить полученные результаты и сделать выводы в опытах а) и б).

 

3. КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ

 

Коллигативные свойства растворов играют большую роль в поддержании организмом постоянства внутренних сред – обязательного условия его нормального функционирования.

Осмотические явления, протекающие в организме, во многом определяют особенности водно-солевого обмена, способствуя достаточному оводнению клеток и межклеточных структур. Обилие воды необходимо для нормального течения многообразных физических и химических процессов: гидратации и диссоциации веществ, реакций гидролиза, окисления и т.д.

Цель изучения: приобрести знания о закономерностях осмоса, испарения, кристаллизации растворов и значении этих явлений в жизнедеятельности организма.

45

Студент должен знать:

- коллигативные свойства растворов;

- значение этих свойств для процессов жизнедеятельности;

-физико-химические показатели, характеризующие коллигативные свойства;

-необходимые расчеты этих показателей и методы их определения.

Студент должен уметь:

- рассчитывать показатели, используемые для характеристики коллигативных свойств растворов;

- готовить растворы с заданной осмолярной концентрацией;

- проводить расчеты осмотического давления растворов и молекулярной массы веществ по данным эбулиометрических и криометрических измерений.

 

Разбавленные растворы обладают рядом общих свойств, обусловленных самим наличием частиц растворенного вещества, независимо от их химической природы. Такие свойства называются коллигативными или совместными. Они зависят только от числа частиц растворенного вещества, то есть от концентрации раствора. К коллигативным свойствам относятся осмос и осмотическое давление, понижение давления насыщенного пара над раствором, повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора по сравнению с соответствующими показателями чистого растворителя.

3.1. Осмос и осмотическое давление

 

Осмотическое давление обусловлено процессом осмоса. Осмосом называют преимущественно одностороннее проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Свойством избирательной проницаемости обладают различные пленки растительного и животного происхождения (стенки кишечника, мочевого пузыря, клеточные мембраны, пергамент, целлофан и др.). С точки зрения термодинамики движущей силой

осмоса является стремление системы к выравниванию концентраций, так как при этом энтропия системы возрастает, поскольку система переходит в менее упорядоченное состояние. Поэтому осмос – самопроизвольный процесс.

В отличие от диффузии осмос односторонний процесс, в котором преимущественно перемещаются молекулы растворителя. Это перемещение приводит к увеличению объема более концентрированного раствора. Возникающее при этом избыточное гидростатическое давление противодействует осмосу. При некоторых значениях гидростатическое давление достигает своего максимального уровня, при котором осмос прекращается. Это состояние называют осмотическим равновесием. Величину, измеряемую минимальным гидростатическим давлением, которое нужно приложить к раствору, чтобы осмос прекратился, называют осмотическим давлением раствора.

Вант-Гофф вывел уравнение для расчета осмотического давления разбавленных растворов неэлектролитов:

 

Р = С(Х)RТ,

где С – молярная концентрация вещества (Х) в растворе, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура раствора.

Из этого уравнения следует, что осмотическое давление не зависит от природы растворенного вещества, а зависит только от суммы всех частиц в растворе и от температуры. Сумма частиц складывается из отдельных молекул, их ассоциатов, ионов и коллоидных частиц растворенного вещества. В таком виде уравнение справедливо только для идеальных растворов, т.е. растворов, в которых отсутствует взаимодействие частиц.

Для учета межмолекулярных взаимодействий в реальных раcтворах Вант-Гофф предложил использовать изотонический коэффициент (i). Изотонический коэффициент - это число частиц вещества в растворе, отнесенное к исходному числу частиц внесенного вещества:

i = N/ N исх.

Для растворов неэлектролитов, молекулы которых не

диссоциируют, изотонический коэффициент равен 1. Для водных растворов электролитов i > 1, максимальное его значение равно числу ионов в молекуле электролита: NaCI (2), CaCI₂ (3), Na₃PO₄ (4), AI₂(SO₄)₃ (5). Для коллоидных растворов i < 1, так как вещество находится в ассоциированном состоянии. Поэтому уравнение Вант-Гоффа для реальных растворов принимает вид:

Р_{осм =} iС(Х)RT

Изотонический коэффициент связан со степенью диссоциации электролита в растворе следующим образом:

i = a(n - 1) + 1

Здесь n - число ионов, на которые диссоциирует одна молекула электролита.

При осмосе молекулы растворителя преимущественно движутся через мембрану в том направлении, где концентрация частиц растворенного вещества больше, а концентрация растворителя меньше. В случае контакта со сторонами мембраны двух растворов с разным осмотическим давлением гипертоническим раствором называют тот, у которого осмотическое давление больше, а гипотоническим – раствор с меньшим осмотическим давлением. Гипертонический раствор всасывает растворитель из гипотонического раствора, стремясь выровнять концентрации вещества с разных сторон мембраны путем перераспределения растворителя. Если осмотическое давление у контактирующих с мембраной растворов одинаково, то они называются изотоническими и между ними устанавливается равновесный обмен растворителя.

При приготовлении физиологических растворов необходимо учитывать их осмотические свойства, поэтому их концентрацию выражают через осмолярную концентрацию. Осмолярная концентрация – суммарное молярное количество всех кинетически активных, т.е. способных к самостоятельному движению, частиц, содержащихся в 1 литре раствора, независимо от их формы, размера и природы. Осмолярная концентрация связана с молярной концентрацией:

 

С_осм = iC(X)

 

Все клетки живых существ способны всасывать растворитель из окружающей среды или наоборот, его отдавать, в зависимости от

концентраций растворов, разделенных мембраной. Если клетка находится в гипотоническом растворе, вода диффундирует в клетку (эндоосмос), происходит набухание клетки с возникновением механического напряжения её. Оно обуславливает упругость тканей организма, называемую тургором. В растительном мире тургор помогает растению сохранять вертикальное положение и определенную форму. Если разница в концентрациях наружного и внутреннего растворов велика, а прочность оболочки мала, то осмос приводит к разрушению клеточной мембраны и к лизису клетки. Это является причиной гемолиза эритроцитов крови с выделением гемоглобина в плазму. Если клетка находится в гипертоническом растворе, вода диффундирует из клетки в плазму (экзоосмос) и происходит сжатие и сморщивание оболочки клетки, называемое плазмолизом. Плазмолиз наблюдается, например, при посыпании ягод или фруктов сахаром, а овощей, мяса, рыбы - солью. При этом происходит консервирование продуктов питания, благодаря уничтожению микроорганизмов вследствие их плазмолиза.

В норме осмотическое давление внутренних сред человеческого организма постоянно. Осмотическое давление крови поддерживается в пределах 740 – 780 кПа при температуре тела

37 ⁰С, что соответствует осмолярной концентрации частиц от 290 до 300 на 1 литр (~0,3 моль/литр). Такое большое осмотическое давление обеспечивается присутствием в крови в основном ионов низкомолекулярных веществ. Часть осмотического давления, обусловленная белками плазмы крови (альбумином, глобулинами) называют онкотическим давлением. Оно составляет лишь небольшую часть от общего осмотического давления крови.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

 

1. Вычислить осмотическое давление раствора, содержащего в

1,5 л 135 г глюкозы С₆Н₁₂О₆ при 0⁰ С.

 

 

Дано: V(р-ра) = 1,5 л m (С6Н12О6) = 135 г t0 = 00 С. М(С6Н12О6) = 180 г/моль Т = t0 + 273 = 273 К	Решение: 1) С = m(С6Н12О6)/(M(С6Н12О6) × V (р-ра)) = 130/(180×1,5) = 0,5 (моль/л) 2) Росм = СRT = 0,5 × 8, 31 × 273 = 1134,315 (кПа)
Росм =?	Ответ: 1134,315 кПа

 

2. Определите молярную массу вещества, если в 5 л его раствора содержится 25 г вещества. Осмотическое давление раствора 0,23×10⁵ Па при 20⁰ С.

 

Дано: V(р-ра) = 5 л Росм = 0,23×105 Па или 230 кПа t0 = 20 0С. Т = t0 + 273 = 293 K	Решение:   1) C(в-ва) = P/RT = 230/(8,31×293) = 0,0945 (моль/л)   2) M(в-ва) = m/(CV) = 25/(0,0945×5) = 52,9 г/моль
M(в-ва) =?	Ответ: 52,9 г/моль

 

3. Сколько грамм глюкозы (С₆Н₁₂О₆) должен содержать 1 л раствора, чтобы его осмотическое давление было таким же, как и раствора, содержащего в 1 л при той же температуре 34,2 г сахарозы (С₁₂Н₂₂О₁₁)?

 

 

Дано: V1(р-ра) = 1 л V2(р-ра) = 1 л m(С12Н22О11) = 34,2 г Р1 = Р2 М(С6Н12О6) = 180 г/моль М(С12Н22О11) = 342 г/моль	Решение: 1) По условию Р1 = Р2, следовательно С1 = С2 = C 2) C = m/MV = 34,2/(342×1) = 0,1 моль/л 3) m(С6Н12О6) = CMV = 0,1×180×1 = 18 г
m(С6Н12О6) =?	Ответ:18 г

 

4. Какова степень электролитической диссоциации (α) дихлоруксусной кислоты в 0,01 М растворе, если при 300⁰ К этот раствор имеет осмотическое давление 43596,4 Па.

 

Дано: С(СНСI2СООН) = 0,01 моль/л Т = 300 К Росм = 43596,4 Па или 43,5964 кПа	Решение: CHCI COOH «CHCI COO + H; n = 2 Росм = iС(Х)RT, i = Росм / C(X)RT i = 43,5964/(0,01´8,31´300 = 1,75 a = (i - 1)/(n - 1) a = (1,75 - 1)/(2 - 1) = 0,75
α =?	Ответ: 0,75

123	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: