Буферлік ерітінділер. Химия, 11 сынып, дидактикалық материал.

Буферлік ерітінділер

Буферлік ерітінділер — сутек иондарының концентрациясын белгілі бір дәрежеде ұстайтын ерітінділер. Олар негізінен әлсіз қышқылдар немесе негіздер және олардың тұздарының қоспасынан тұрады, сұйылтқанда, концентрлегенде, күшті қышқыл немесе негіздің аз мөлшерін қосқанда өзінің сутектік көрсеткішінің (рН) мәнін болымсыз өзгертеді. Мысалы: ацетаттық Буферлік ерітінділернің (СН3СООН+ +СН3СООNa қоспасының) pH-ы 4,7, лимондық Буферлік ерітінділернің (С6Н6О7Na2 ерітіндісі) pH-ы 5,0, фосфаттық Буферлік ерітінділернің (Na2Н2РО4+ +NaОН қоспасының ерітіндісі) pH-ы 11,5. Буферлік ерітінділер аналитикалық химияда, биохимиялық және физиологиялық зерттеулерде кеңінен қолданылады. Буферлік ерітінділер тірі организмдерде үлкен рөл атқарады (мысалы, қанның, лимфалардың, клеткааралық сұйықтардың pH тұрақтылығы). Олардың бикарбонаттық, фосфаттық, белоктық (белоктар әлсіз қышқылдық әрі негіздік қасиет көрсетеді) табиғаты бар.

Буферлік жүйелердің адам ағзасы үшін маңызы жоғары. Адам қаны буферлік жүйелерге жатады. Адам ағзасында әсіресе, бүйректің бөліп шығару және өкпенің тыныс алу қызметтері үшін буферлік жүйелердің маңызы жоғары. Адам ағзасындағы сұйықтықтар (қан, ұлпа сұйықтығы, лимфа т.б.) қасиетінің бірі - олардағы сутегі иондарының тұрақты кон-центрациясын көрсетуі. Ағза сұйықтығының қышқылдылығының тұрақты болуының маңызы зор. Буферлі жүйелер деп қышқылдың немесе сілтінің аз мөлшерін қосқанда, сонымен қатар сұйылтқанда, сутек иондарының концентрациясы, яғни рН өзгермейтін ерітінділерді айтады.

Адам ағзасындағы рН деңгейін сақтап туру буферлі жүйелердің көмегімен жүзеге асырылады.Буферлі ерітінділер әдетте әлсіз қышқыл мен кушті негіз тұзының қоспасында (CH₃CООH+CH₃COONa ₄ ацетатты буферлі қоспа) немесе әлсіз негіз бен оның күшті қышқыл тұзының қоспасынан (NH4OH+NH4CI аммиакты буферлі қоспа) тұрады. Сонымен бірге, әлсіз қышқылдардың қышқыл және орта тұздарының (NaHCО₃+Na₂C03 карбонатты буферлі қоспа) немесе екі кышқыл түздарының қоспасы (NaН₂РО₄+NaHPО₄ фосфатты буферлі коспа) буферлік қасиет көрсетеді. Буферлі ерітіндіге қышқыл не сілті косқанда, не болмаса оларды сұйылтқанда рН өзгермей түрақты болуын буферлік әсер деп атайды.

Әлсіз қышқыл мен оның сілтілік тұзынаң тұратын буферлі ерітіндіге (CH₃COOH+CH₃COONa) күшті қышқыл қосқандағы оның буферлік әсерін былай түсіндіреді: Күшті кышқыддың Н⁺ иондары тұздың аниондарымен байланысып, әлсіз қышқылдың диссоциацияланбайтын молекулаларын түзеді. Мысалы:

CH₃COONa+HCl ↔ CH₃COOH+NaCl

ал күшті негіз қосқанда ОН иондары Н⁺ қосылып Н₂О молеқулаларын түзеді: СНзСООН+NaOH ↔ CH₃COONa+H₂0

Әлсіз негіз бен оның тұзынан тұратын ерітіндінің

NH₄OH+NH₄CI буферлік әсерін былай түсіндіреді:

Күшті қышқыл қосқанда NH₄0H + HC1 → NH₄Cl + H₂0

Күшті негіз қосқанда NH₄CI+NaOH→NH₄OH+NaCl

Буферлі ерітінділердің белгілі шамада рН-ты ұстау қасиеті де міне осында жатыр.

Буферлік әсерді су, ондағы еріген қышқыл (негіз) және тұз арасындағы тендікті сақталуымен түсіндіреді. Ерітіндіге әлсіз қышқылдың тұзын қоссақ, ол қышқылдың диссоциациясын тежейді, ал егер әлсіз қышқыл (ерітіндіде) қоссақ, тұздың гидролизденуін тежейді. Мысал ретінде әлсіз қышкыл мен оның тұзынан тұратын буферлі қоспаны қарастырайық. Әлсіз қышқыл ерітіндіде былай диссоциацияланады:

Буферлік сиымдылық деп 1л буферлі ерітіндінің рН ын бір бірлікке өзгерту үшін оған қосуға қажетті күшті қышқылдың (НСІ) не күшті негіздің (NaOH) эквивалентті концентрациясын айтады. Буферлік сиымдылықты В мына тендеумен есептейді:

С-күшті қышқылдың не негіздің эквивалентінің мольдік массасының саны (концентрациясы). Буферлі сиымдылық буферлі ерітінділер компоненттерінің табиғатына және жалпы концентрацияларына, олардың концентрацияларының қатынастарына тәуелді. Буферлі ерітінді компоненттерінің концентрациялары неғұрлым жоғары және компонент концентрацияларының қатынастары 1 санына жақындаса, буферлік сиымдылық соғұрлым жоғары болады.

Буферлік сыйымдылық біренеше факторларға тәуелді:

1. Қышқылдық-негіздік компонент саны неғұрлым көп болған сайын бұның буферлік сиымдылығы жоғары болады.

2.Буферлік сиымдылық буферлі ертінділердің компонент концентрациясының әрекеттесуіне тәуелді яғни буферлі ертіндінің рН тәуелді. Буферлі сиымдылық компонент концентрациясы артқан сайын жоғарылайды.

Буферлі ерітінділердің буферлік қасиеттер көрсететін аймағы рН=рК±1 арасында орналасады.

Буферлі жүйелер сапалық және сандық талдауда ерітіндінің рН-ын бірқалыпты сақтау үшін кең пайдаланылады. Мысалы, Ва²⁺ катионын Sr²⁺ мен Са²⁺-ден калий дихроматымен бөлген кезде ацетатты буферді қолданады.

Көптеген органикалық реагенттермен жүретін, түсі әртүрлі реакциялар ерітіндінің белгілі бір рН мәнінде жүреді. Мысалы, Ni²⁺ катионын диметилглиоксиммен анықтағанда реакция аммиакаты буфер ортасыңда жүреді. Биологиялық сұйықтардың рН тұрақты шамасымен сипатталады, оның бұл шамадан ауытқуы шектелген. Сұйық ортаның қышқылдылығын тұрақты сақтап тұру адам ағзасының қызметі үшін маңызы жоғары.рН реттеу қызметін буферлі жүйелер атқарады. Олар сұйық ортадағы рН мәнін және гомеостазды сақтап тұрушы қызмет атқарады.

Буферлік жүйелердің адам ағзасы үшін маңызы жоғары. Адам қаны буферлік жүйелерге жатады. Адам ағзасында әсіресе, бүйректің бөліп шығару және өкпенің тыныс алу қызметтері үшін буферлік жүйелердің маңызы жоғары. Адам ағзасындағы сұйықтықтар (қан, ұлпа сұйықтығы, лимфа т.б.) қасиетінің бірі - олардағы сутегі иондарының тұрақты кон-центрациясын көрсетуі. Ағза сұйықтығының қышқылдылығының тұрақты болуының маңызы зор, себебі:Н⁺ иоидары көптеген биологиялық өзгерістергекаталиттік түрде әсер етеді.Ферменттер мен гормондар белгілі бір рН аралығыңда биологиялық белсенділік танытады;[Н⁺] тіпті аз озгеруі (қан және ұлпа аралық сұйықтарда) ағзаның осмос қысымына әсері мол.

Қанның қалыпты рН (7,36) өте кішкене ауытқуы қолайсыз жағдайларға әкеледі. Мысалы, рН 0,4-ке ауытқуы өлімге соғуы мүмкін.Адам қанының буферлік жүйесін 2 топқа бөлуге болады;

1. Қан плазмасындағы буферлік жүйелер; 2. Қанның формалы элементтерінің буферлік жүйесі

Оларды жекеше былай жіктейміз. Қан плазмасындағы буферлік жүйелер:

Бикарбонатты буфер (Н₂С0₃ +NaНСО₃) Фосфатты буфер (NaH₂P0₄+Na₂HP0₄) Ақсылдық буфер (H₂N-R-COOH+H₂N-R-COONa) Бос амин қышқылдары мен олардың тұздары Органикалық фосфаттар (фосфор қышқылының эфирлері).

Қанның формалы элементтерінің буферлік жүйесі:

• Бикарбонатты буфер (Н₂С0₃ +NaНСО₃)
• Фосфатты буфер (NaH₂P0₄+Na₂HP0₄)
• Ақсылдық буфер (гемоглобинді-оксигемоглобинді)
• Фосфор қышқылының эфирлері.

Бикарбонатты буферлік жүйе әлсіз көмір қышқылы мен диссоциациясы нәтижесіндегі түзілетін гидрокарбонат-иондар тепе-теңдігімен байланысты.

HCО₃^- + Н⁺ ↔Н₂СО₃

НСОз^- + Н₂О↔Н₂СО_з + ОН^-

Ағзадағы көмір кышқылы, көмірсулар, майлар, ақсылдардың ыдырау өнімі-көміртек диоксидінің гидротациясы нәтижесінде түзіледі. Бұл процесс фермент карбоангидраза арқылы жеделдейді.

С0₂ + Н₂0 ↔ Н₂СО₃

Фосфатты буферлік жүйе гидрофосфат және дигидрофосфат иоңдарының тепе-теңдігімен сипатталады:

НР0₄^2- + Н⁺ ↔ Н₂Р0₄^-

НР0₄^2- + Н₂0 ↔ Н₂Р0₄^- + ОН^-

Гемоглобин-оксигемоглобин буферлік жуйесіне қанның буферлік сыйымдылығыньщ 75% -ы тиісті, ол әлсіз қышқыл гемоглобин ННв және гемоглобин иондарының Нв^- теңдігімен анықталады:

Hв^-+H⁺↔ HHb

Нв^-+Н₂0↔ННв + ОН^-

НСО₃^-, НР0₄^2- және Нв әлсіз қышқыл аниондары болғандықтан, Бренстед бойынша негіздер болып есептеледі,яғни Н иондарынының тиімді акцепторлары. Сондықтан қанғакүшті қышқылдар түскенде олардағы Н⁺ көп мелшері НС0₃,НР0₄^2- және Нв иондарымен байланысып, диссоциацияланбаған көмір қышқылының, гемоглобиннін, дигидрофосфат иондарын түзеді. Мысалы:

NаНСО₃ + НС1 ↔ Н₂С0₃ + NaCl

Белоктық буфер жүйесі — плазмадағы күшті буферлік жүйелердің бірі. Белоктың буферлік қасиеті оның молекуласындағы қышқыл мен сілті топтарына яғни амфотерлік реакция беретініне байланысты. Белок қышқыл жерде сілті ретінде қышқыл затпен, сілтілі жерде қышқыл ретінде сілтілі затпен әрекеттеседі.

Көп жағдайларда буферлік жүйелер рН кему бағытына қарсы тұру үшін жұмыс жасайды, себебі ағзаның тағамды сіңіруі нәтижесінде де біраз мөлшерде көміртек диоксиді түзіледі (тәулігіне 550-775г). Ол сумен әрекеттесіп, Н⁺ ионының (25-35моль) тәулік мөлшеріне сәйкес келетін көмір қышқылын береді. Қандағы рН төмендеуіне әкелетін үдерістің бірі -

өкпеде жүретін гемоглобиннің оксигемоглобинге айналуы,

ННв + 0₂ ↔ ННв0₂, себебі ННв0₂ ННв-ге қарағанда күштірек қышқыл.

Ағзаның ұлпа капиллярларында сілтілік қорды көбейтетін кері процесс жүреді.

Қанның және ұлпа сұйықтарының буферлік жүйелері өзара тығыз байланысты. Осыны ескере отырып, гемоглобиннің оттекті сіңіріп және оксигемоглобиннің О₂-ні бөлінуіне СО₂-нің ерекше әсері бар екенінтүсіндіруге болады. Қан плазмасында 7-8%-ға дейін ақсылдар кездеседі. Ақсылдар амин қышқылдарынан тұрады. Ақсылдардың буферлік әсері оны құрайтын аминқышқылдарының амфотерлік қасиеттеріне байланысты. Қанның қышқылдык-негіздік тепе-теңдігінің Н⁺ иондарының сілтілік қорды көбейтіп, рН арту бағытына ығысуын алколоз деп атайды. Қандағы буферлік жүйелердің пайыздық молшері:

• гемоглобин-оксигемоглобин - 35%
• фосфатты жүйе - 5%
• бикарбонаты жүйе: плазмада - 35%, эритроциттерде-18%
• плазманың ақсылдары - 7%.

Метаболиттік ацидоз зат алмасу (метаболизм) үдерісінің бұзылуымен сипатталады, ол қандағы рН төмендеуіне әкеліп соктырады. Метаболиттік алкалоз да метаболизм үдерісінің бүзылуымен сипатталады, ол қандағы рН жоғарылауына әкеледі.Буферлік жүйе қандағы өзгерістерді қалпына келтіреді.

рН буферлі ертінді концентрация табиғатына,концентрациясына және кей бірі температураға да тәуелді болып келеді. Буферлі жүйе көбіне аналитикалық практикаларда және химиялық реакциялар тек рН айналасында жүргізіледі. рН өлшеудің екі кен тараған әдісі бар олар: колориметриялық және потенциометриялық.

Колориметриялық әдіс пайдаланылып отырған индикатор түсінің өзгеруіне негізделген ертіндіге рН мөлшеріне байланысты қосылады. Нақты емес және қайта тұзды температуралық енгізулерді қажет етеді. Бұл әдісті суға қолдануға болмайды.

Потенциометриялық әдіс нақты тура әдіс болып табылады бірақ бұл әдіс үшін арнайы құрал жабдық қажет болады рН –метрия. Биологиялық сұйықтардың рН тұрақты шамасымен сипатталады, оның бұл шамадан ауытқуы шектелген. Сұйық ортаның қышқылдылығын тұрақты сақтап тұру адам ағзасының қызметі үшін маңызы жоғары. рН реттеу қызметін буферлі жүйелер атқарады. Олар сұйық ортадағы рН мәнін және гомеостазды сақтап тұрушы қызмет атқарады.Адам қанының өзі буферлі жүйеден тұрады сондықтан да ол өте маңызды болып келеді.