Буферные растворы в аналитической химии

         Кислоты, образующиеся в процессе метаболизма, нейтрализуются бикарбонатом. При рН около 7.4 в организме преобладает бикарбонатный ион, и его концентрация может в 20 раз превышать концентрацию угольной кислоты. По своей природе угольная кислота очень нестойкая и сразу же после своего образования расщепляется на углекислый газ и воду. Реакции образования и последующего быстрого расщепления угольной кислоты в организме настолько совершенны, что им часто не придают особого значения. Эти реакции катализируется ферментом карбоангидразой, который находится в эритроцитах и в почках. В зависимости от условий, обе реакции могут идти в том или ином направлении.

        Если в закрытой системе появляется избыток углекислого газа, то равновесие этих реакций смещается влево, что приводит к незначительному снижению рН. Особенность бикарбонатной буферной системы состоит в том, что она открыта. Избыток ионов водорода связывается с бикарбонатом, образующийся при этом углекислый газ стимулирует дыхательный центр, вентиляция лёгких повышается, а излишки углекислого газа удаляются при дыхании. Так в организме поддерживается баланс рН. Чем больше в клетках образуется ионов водорода, тем больше расход бикарбонатного буфера. На этом этапе метаболизма подключаются почки, которые выводят избыток ионов водорода, и количество бикарбоната в организме восстанавливается.

  

Рис. 1. Буферные системы организма.

         Небикарбонатные буферные системы активно функционируют в крови и внутри клеток. Фосфатный буфер может действовать как в составе органических молекул, так и в качестве свободных ионов. Одна его молекула способна связывать до трёх катионов водорода. Белки могут присоединять к своей полипептидной цепочке как кислотные, так и основные группы.

         Буферная ёмкость белковой буферной системы может охватывать широкий диапазон рН. В зависимости от имеющейся величины рН она может связывать как гидроксильные группы, так и ионы водорода. Третья часть буферной ёмкости крови приходится на гемоглобин. Каждая молекула гемоглобина может нейтрализовать несколько ионов водорода. Когда кислород переходит из гемоглобина в ткани, способность гемоглобина связывать ионы водорода возрастает и наоборот: когда в лёгких происходит оксигенация гемоглобина, он теряет присоединённые ионы водорода. Освободившиеся ионы водорода реагируют с бикарбонатом, и в результате образуется углекислый газ и вода. Образовавшийся углекислый газ удаляется из лёгких при дыхании. Приведённый пример иллюстрирует процесс восстановления небикарбонатных буферных систем с помощью бикарбонатной буферной системы.

         Этот процесс можно рассматривать как цепь реакций, в результате которых ион водорода перемещается между различными буферными системами, в конечном итоге достигая бикарбонатного буфера.

        Как описано выше, образовавшиеся в результате метаболизма кислоты сразу же попадают под контроль различных буферных систем. Это препятствует резким сдвигам рН внутренней среды организма. Образующийся углекислый газ выделяется через лёгкие при дыхании, а нелетучие кислоты могут экскретироваться только почками [12].

         Поддержание буферной ёмкости организма и восстановление различных буферных систем происходит за счёт восстановления уровня сывороточного бикарбоната. Этот процесс осуществляется в почках.

         На первом этапе образования мочи (клубочковая фильтрация) образуется ультрафильтрат плазмы, представляющий собой первичную мочу, по составу аналогичную плазме. В первичной моче содержится значительное количество бикарбоната, который организму необходимо сохранить. Поэтому, когда уровень бикарбоната в плазме падает ниже физиологических показателей, в проксимальных канальцах почек при участии фермента карбоангидразы начинается процесс реабсорбции профильтрованных в клубочках бикарбонатных ионов.

Рис.2. Процесс сохранения ионов бикарбоната в почках.

         Но одного сохранения бикарбоната недостаточно, так как большое его количество расходуется на восстановление других буферов организма и теряется при дыхании в виде углекислого газа. Количество бикарбоната в организме необходимо постоянно восполнять. Этот процесс осуществляется в дистальных канальцах при участии карбоангидразы. При этом в мочу секретируются ионы водорода, которые связываются с фосфатами или аммонием в канальцевом фильтрате, а бикарбонатные ионы возвращаются в кровь. Происходит секреция нелетучих кислот и восстановление бикарбоната[11].

         В результате процессов, описанных выше, предотвращаются потери бикарбоната с мочой, и образуется дополнительное количество ионов бикарбоната, которое соответствует эндогенной продукции катионов водорода. При нормальных условиях происходит восстановление физиологического уровня бикарбоната в крови (24 - 27 моль/л).

         Ухудшение функции почек ведёт к снижению секреции ионов водорода и реабсорбции бикарбоната, в организме происходит накопление кислот, а уровень бикарбоната плазмы падает ниже физиологической нормы. В начальной стадии почечной недостаточности за счёт гипервентиляции некоторое время может поддерживаться физиологический уровень рН плазмы, хотя затем всё равно развивается метаболический ацидоз.

         Для снижения кислотной нагрузки и улучшения самочувствия больных на этой стадии почечной недостаточности назначается диета с ограничением белка и таблетированный бикарбонат  [10].

         По мере прогрессирования почечной недостаточности в метаболизм вовлекаются все имеющиеся буферные запасы организма, включая карбонат, содержащийся в костях. В дальнейшем, когда симптомы становятся опасными для жизни, наступает необходимость в лечении диализом.

         Несмотря на усилия врачей, большинство диализных больных постоянно находится в состоянии метаболического ацидоза. Это объясняется тем, что за время гемодиализау них не происходит адекватной коррекции кислотно-основного состояния [12].

         В результате различных метаболических процессов в нашем организме постоянно образуются различные кислоты. Они сразу же нейтрализуются буферными системами, среди которых наиболее важной является бикарбонатная. Для поддержания постоянного уровня рН внутренней среды организма расходуется бикарбонат, что требует его постоянной регенерации. В норме этот процесс происходит в почках. У больных с почечной недостаточностью функцию почек замещает диализ, а буферная ёмкость крови восстанавливается посредством включения в состав диализирующего раствора различных буферных источников, наиболее физиологичным из которых является бикарбонат. Из-за недостаточной коррещии кислотно-основного состояния во время сеанса гемодиализа многие диализные больные постоянно находятся под воздействием метаболического ацидоза[10].

 

 

 

 

 

 

2. Приготовление буферных растворов

         В лабораторной практике пользуются буферными растворами с заранее известными значениями pH. Итак, приготовление буферных растворов осуществляется при использовании растворов слабой кислоты и ее соли с сильным основанием или слабого основания и его соли с сильной кислотой. Затем, изменяя количественные соотношения компонентов, готовят буферные растворы с заданным значением pH. [13].

         К примеру, необходимо приготовить ацетатный буфер с несколькими значениями pH. Вначале готовят 5М растворы ацетатной кислоты и ацетата натрия. Для приготовления первого раствора берут по 50 мл каждого из компонентов. Руководствуясь формулой, определяют концентрацию ионов Н+ в полученном растворе.

         Для следующего буферного раствора например, берут 80 мл раствора кислоты и 20 мл раствора соли, приготовленных ранее. Существуют методики приготовления различных буферных растворов, применяемых в химическом анализе и лабораторной практике[14].

         Мы будем готовить боратный буферный раствор (pH=9.3-11)

         Боратный буферный раствор – это смесь растворов щелочи (NaOH) и тетрабората натрия (Na2B4O7*10H2O).

         Способ приготовления:

         Раствор NaOH (0,1 М) объемом, указанным в таблице1, поместить в колбу на 100 мл и разбавить раствором тетрабората натрия (0,05 М) до метки.

pH	V, мл	pH	V, мл	pH	V, мл	pH	V, мл
9.3	8.9	9.8	38.2	10.3	44.0	10.8	49.1
9.4	15.4	9.9	39.9	10.4	45.2	10.9	49.5
9.5	21.0	10.0	41.1	10.5	46.3	11.0	49.9
9.6	26.8	10.1	42.3	10.6	47.2
9.7	34.3	10.2	43.0	10.7	48.6

 

Таблица 1. Соотношение объемов NaOH и значений pH боратного буфера[15].

 

3. Экспериментальная часть

         В нашем эксперименте мы готовили боратный буфер (pH = 9.9) и затем сравнили данные полученные теоретически и практически полученное значение pH приготовленного буфера.

         Для того чтобы приготовить боратный буфер мы использовали

0.1М раствор  NaOH и 0.05М раствор Na2B4O7*10H2O.

 

3.1. Реактивы, посуда, оборудование

         Реактивы: NaOH

                           Na2B4O7*10H2O

        Посуда: мерные колбы на 100 мл

                        воронка

                        бюксы

         Оборудование: аналитические весы ВЛР-200

                                    УЛК «Химия»

 

3.2. Приготовление раствора гидроксида натрия

         Расчет навески NaOH, которую нужно взять для приготовления 100 мл 0.1М раствора:

0.1 моль – 1000 мл

Х моль – 100 мл

Х = 0.01 моль

   M (NaOH) = 39.997 г/моль  

   m (NaOH) = 0.01*39.997 = 0.39997 г

   Взятие навески NaOH:

m (бюкс техн.)	m (бюкс аналит.)	m (бюкс+в-во)	m (вещества)
18.470 г	18.4372 г	18. 8237 г	0.3865 г

 

   m (NaOH) = 0.3865 г

 Растворяем навеску щелочи в колбе на 100 мл и тщательно перемешиваем. С (NaOH) = m (NaOH) / V*M(NaOH)

С (NaOH) = 0.3865/0.1*39.997 = 0.097М

3.3. Приготовление раствора тетрабората натрия

         Расчет навески тетрабората натрия (Na2B4O7*10H2O), которую нужно взять для приготовления 100 мл 0.05М раствора:

0.05 моль – 1000 мл

Х моль – 100 мл

Х = 0.005 моль

M (Na2B4O7*10H2O) = 381.3654 г/моль  

m (Na2B4O7*10H2O) = 0.005*381.3654 = 1.9068 г

        Взятие навески Na2B4O7*10H2O:

m (бюкс техн.)	m (бюкс аналит.)	m (бюкс+в-во)	m (вещества)
16.905 г	16.8974 г	18.8134 г	1.916 г

 

m (Na2B4O7*10H2O) = 1.916 г

         Растворяем навеску тетрабората натрия в колбе на 100 мл и тщательно перемешиваем.

С (Na2B4O7*10H2O) = m (Na2B4O7*10H2O) / V*M(Na2B4O7*10H2O)

С (Na2B4O7*10H2O) = 1.916/0.1*381.3654 = 0.0503М

3.4. Расчет значения pH

         Так как наша концентрация растворов немного отличается от той, которая представлена в литературных источниках, то необходимо провести перерасчет значения pH.

         Для получения раствора с pH = 9.9 необходимо 39.9 мл 0.1M раствора щелочи (см. Таблица 1).

39.9 мл – 0.1М

Х мл – 0.097М

Х = 38.703 мл

 

 

         38.703 мл 0.097М раствора щелочи требуется для pH = 9.9. Мы использовали 40 мл NaOH.

38.703 мл для приготовления раствора с pH= 9.9

40 мл для приготовления раствора с pH=Y