Выполнение работы

Вариант 1. Определение буферной емкости ацетатного
буферного раствора

1. Приготовление буферных растворов. Получают у преподавателя задание из табл. 13.

Таблица 13

Буферные системы, понятие о буферных системах

1 4. Понятие о буферных растворах Определение буферных систем и их классификация Многие реакции в растворе протекают в нужном направлении только при определенной концентрации ионов Н + . Изменение еѐ в ту или иную сторону от соответствующего оптимального значения приводит к появлению новых, часто нежелательных продуктов. В связи с этим, поддержание постоянного значения рН на протяжении всего времени осуществления реакции часто является важным условием ее успешного завершения. Особенно актуально это для биохимических процессов, протекающих в живых организмах. Большинство из них катализируется различными ферментами или гормонами, проявляющими свою биологическую активность только в строго определенном и достаточно узком интервале значений рН. Растворы, способные сохранять постоянной концентрацию ионов Н + при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разбавлении, называются буферными растворами или буферными системами. Свойство данных растворов сохранять неизменным присущее им значение рН при вышеперечисленных обстоятельствах, называется иначе буферным действием. Буферные растворы в зависимости от своего состава делятся на 2 основных типа: кислотные и основные. Кислотные буферные системы обычно образованы слабой неорганической или органической кислотой и солью этой же кислоты с сильным основанием. Например: 1) СН3СООН + СН3СООNa – ацетатный буфер слабая кислота соль кислоты 2) Н2СО3(Н2О + СО2) + NaНСО3 – гидрокарбонатный или бикарбонатный буфер слабая кислота соль кислоты С точки зрения теории Бренстеда-Лоури кислотной буферной системой является равновесная смесь слабой кислоты и сопряженного ей основания. Причем роль сопряженного основания играют образующиеся при диссоциации солей анионы слабых кислот. В связи с этим состав буферных растворов можно записать иначе: 1) СН3СООН / СН3СОО – – ацетатный буфер слабая кислота сопряженное основание 2) Н2СО3(Н2О + СО2) / НСО3 – – гидрокарбонатный буфер слабая кислота сопряженное основание 2 Кислотная буферная система может быть образована и смесью двух солей многоосновной кислоты, соответствующих различным стадиям нейтрализации этой кислоты. В этом случае кислотный остаток одной из солей (менее замещенный) играет роль слабой кислоты, а кислотный остаток второй соли (более замещенный) – сопряженного ей основания. Примером таких систем могут служить: 1) карбонатная буферная система, представляющая собой смесь кислой (NaHCO3) и средней (Na2CO3) солей угольной кислоты HCO3 – / СО3 2– слабая кислота сопряженное основание 2) фосфатные буферные растворы Nah3PO4 + Na2HPO4 (h3PO4 – / HPO4 2– слабая кислота сопряженное основание Na2HPO4 + Na3PO4 (HPO4 2– / PO4 3– слабая кислота сопряженное основание Следует отметить, что не только смеси, но и растворы некоторых индивидуальных солей (например: тетрабората натрия (Na2B4O7), карбоната аммония ((Nh5)2CO3) и др.) тоже обладают буферными свойствами, которые объясняются сильным гидролизом этих солей и образованием вследствие этого компонентов, необходимых для буферного действия: (Nh5)2CO3 + HOH ↔ Nh5HCO3 + Nh5OH Оснóвные буферные системы образованы слабым неорганическим или органическим основанием и солью этого основания с сильной кислотой. Например: 1) Nh4 · h3O(Nh5OH) + Nh5Cl – аммиачный буфер слабое основание соль 2) C2H5–Nh3 + C2H5Nh4Cl – этиламиновый буфер слабое основание соль С точки зрения теории Бренстеда-Лоури оснóвная буферная система также представляет собой равновесную смесь слабой кислоты и сопряженного ей основания, только роль кислоты в данном случае выполняет образующийся при диссоциации соли катион: 5 HPO4 2– + H + = h3PO4 – – сокращенное ионное уравнение Внесенная щелочь, наоборот, заместится на эквивалентное количество нейтральной солевой компоненты буфера: Nah3PO4 + NaOH = Na2HPO4 + h3O – молекулярное уравнение Na + + h3PO4 – + Na + + OH – = 2Na + + HPO4 2– + h3O – полное ионное уравнение h3PO4 – + OH – = HPO4 2– + h3O – сокращенное ионное уравнение Механизм действия основных буферных систем рассмотрим на примере аммиачного буфера. Добавленная к нему сильная кислота провзаимодействует со слабым основанием и заместится на эквивалентное количество солевой компоненты буфера: Nh4 + HCl = Nh5Cl – молекулярное уравнение Nh4 + H + + Cl – = Nh5 + + Cl – – полное ионное уравнение Nh4 + H + = Nh5 + – сокращенное ионное уравнение Щелочь вступит в реакцию с солью буферной системы и вместо нее образуется эквивалентное количество слабого основания: Nh5Cl + NaOH = Nh4 + h3O + NaCl – молекулярное уравнение Nh5 + + Cl – + Na + + OH – = Nh4 + h3O + Na + + Cl – – полное ионное уравнение Nh5 + + OH – = Nh4 + h3O – сокращенное ионное уравнение Таким образом, рассмотренные примеры показывают, что буферное действие растворов независимо от их состава обусловлено взаимодействием внесенных в них ионов Н + или ОН – с соответствующим компонентом буфера. В результате этого происходит их связывание в растворе за счет образования слабодиссоциированного продукта реакции, т.е. (говоря другими словами) перевод в потенциальную кислотность либо основность. Вследствие этого активная кислотность (основность) самой буферной системы существенно не изменяется и остается на первоначальном уровне. Вычисление рН и рОН буферных систем. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха Каждая из буферных систем характеризуется определенной присущей ей концентрацией ионов Н + (активной кислотностью), которую система и 6 стремится сохранить на неизменном уровне при добавлении к ней сильной кислоты либо щелочи. Установим на примере ацетатного буфера факторы, влияющие на величину активной кислотности. В растворе данной буферной системы происходят следующие реакции электролитической диссоциации: Ch4COOH  Ch4COO – + H + Ch4COONa → Ch4COO – + Na + (Гидролиз соли, т.е. взаимодействие ацетат-ионов с Н2О Ch4COO – + HOH  Ch4COOH + OH – учитывать не будем.) Таким образом, ионы Н + образуются только за счет диссоциации некоторого числа молекул уксусной кислоты. Этот процесс является обратимым и количественно характеризуется константой кислотности Kа: COOHCH COOCHH a 3 3 C CC K    где H C (или ОН3 С ), COOCh4 C и COOHCh4C равновесные молярные концентрации ионов Н + , СН3СОО – и непродиссоциированных молекул кислоты. Из данного уравнения можно выразить Н С или активную кислотность буферной системы:    COOCH COOHCH aH 3 3 C C KC Кроме уксусной кислоты в растворе присутствует ее соль Ch4COONa. Она является сильным электролитом и полностью распадается на ионы. В результате этого концентрация анионов СН3СОО – резко возрастает и согласно принципа Ле-Шателье равновесие реакции диссоциации уксусной кислоты смещается влево, т.е. в сторону образования ее молекул. Причем диссоциация уксусной кислоты в присутствии собственной соли может быть настолько подавленной, что равновесную концентрацию ее нераспавшихся молекул в растворе можно считать равной концентрации СН3СООН, а равновесную концентрацию ацетат-ионов – исходной концентрации соли. В связи с этим выражение, по которому рассчитывается концентрация ионов Н + , можно записать иначе: соли кислоты aН С С KС  где Скислоты и Ссоли – исходные концентрации компонентов буферной системы. 7 Прологорифмируем полученное уравнение (с учетом того, что логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей): соли кислоты aH С C lgKlgClg  и умножим обе его части на –1: соли кислоты aH С C lgKlgClg   Как было показано нами ранее pHClg H   , a aa pKKlg  В связи с этим запишем уравнение для расчета концентрации ионов Н + в окончательном виде: соли кислоты a С С lgpKpH  Данное выражение называется иначе уравнением Гендерсона-Гассельбаха. Его можно использовать для вычисления рН любой кислотной буферной системы. Например, для фосфатного буфера уравнение Гендерсона-Гассельбаха запишется следующим образом: 42 42 HPONа PONаH a C C lgpKpH  (в данной системе роль слабой кислоты играет анион Н2РО4 – , то )POH(KlgpK 42aa   . В водных растворах рН и рОН являются сопряженными величинами. Их сумма всегда равна 14, т.е.: рН + рОН = 14 Зная концентрацию ионов Н + или рН можно вычислить концентрацию гидроксильных ионов или рОН. соли кислоты a С С lgpK14ph24pOH  Уравнения Гендерсона-Гассельбаха для расчета рОН и рН в оснóвных буферных системах выглядят следующим образом: соли основания b С С lgpKpOH  соли основания b С С lgpK14pH  10 Соответственно буферной емкостью по основанию является то количество химического эквивалента сильного основания (щелочи), которое нужно добавить к 1 литру (1 дм 3 ) буферной системы, чтобы вызвать увеличение ее рН на единицу: 12 O pHpH )Bz/1(n B   где n(1/z В) – число молей химического эквивалента основания, которое добавили к 1 литру буферного раствора; рН1 – водородный показатель раствора до добавления основания; рН2 – водородный показатель раствора после добавления основания. В более общем случае (если брать не 1 литр буферной системы, а любой другой ее объем) формула для подсчета буферной емкости по основанию примет следующий вид: )системыбуферной(12)системыбуферной(12 O V)pHpH( )Bz/1(n V)pHpH( )B(V)Bz/1(C B      где С(1/z В) – молярная концентрация химического эквивалента основания в добавляемом растворе; V(В) – объем (л) добавленного раствора сильного основания; V(буферной системы) – объем буферного раствора (л), к которому добавляют раствор сильного основания. Величина буферной емкости зависит от концентраций компонентов буферной системы и от их соотношения. Чем более концентрированным является буферный раствор, тем выше его буферная емкость, т.к. в этом случае добавление небольших количеств сильной кислоты или щелочи не вызовет существенного изменения концентраций его компонентов, а значит и их соотношения. Из буферных растворов с одинаковым суммарным содержанием химического количества их компонентов наибольшей емкостью будут обладать те, которые составлены из равного числа молей слабой кислоты и еѐ соли или слабого основания и его соли (рис. 1). В таких растворах молярные концентрации компонентов будут одинаковые, а значит соотношение Скислоты/Ссоли = 1 и Соснования/ Ссоли.= 1. 11 Рис. 1 – Изменение буферной емкости (1) и изменение рН кислотной буферной системы при добавлении к ней определенного количества сильной кислоты (2) в зависимости от содержания еѐ компонентов Данные растворы будут иметь примерно одинаковые значения буферной емкости как по кислоте, так и по основанию. Если же соотношение концентраций компонентов буферной системы не равно 1, то значения ее буферной емкости по основанию и кислоте будут отличаться друг от друга (причем тем существеннее, чем в большей степени соотношение Скислоты/Ссоли и Соснования/Ссоли отклоняется от единицы). Например, если в кислотной буферной системе солевой компоненты содержится больше чем слабой кислоты, то ее буферная емкость по кислоте будет выше чем по основанию, т.е. Вк. > Во. Соответственно буферная емкость по кислоте для основной буферной системы будет больше чем по основанию в том случае, если содержание солевой компоненты в этом случае будет меньше чем слабого основания. Таким образом можно сделать вывод, что в данных случаях буферная емкость выше по тому веществу, которое реагирует с избыточным компонентом буферного раствора. Если буферная система не обладает достаточной буферной емкостью, то ее можно повысить, увеличив концентрацию обоих компонентов в необходимое количество раз. Буферные системы человеческого организма В организме человека в результате протекания различных метаболических процессов постоянно образуются большие количества кислых продуктов. Среднесуточная норма их выделения соответствует 20-30 литрам раствора сильной кислоты с молярной концентрацией химического эквивалента кислоты равной 0,1 моль/л (или 2000-3000 ммоль химического эквивалента кислоты). Образуются при этом и основные продукты: аммиак, мочевина, креатин и др., – но только в гораздо меньшей степени. В состав кислых продуктов обмена веществ входят как неорганические (h3CO3, h3SO4), так и органические (молочная, масляная, пировиноградная и др.) кислоты. Соляная кислота секретируется париетальными гландулацитами и выделяется в полость желудка со скоростью 1-4 ммоль/час. Угольная кислота является конечным продуктом окисления липидов, углеводов, белков и различных других биоорганических веществ. В пересчете на СО2 ежесуточно ее образуется до 13 молей. Серная кислота выделяется при окислении белков, поскольку в их состав входят серосодержащие аминокислоты: метионин, цистеин. При усвоении 100 г белка выделяется около 60 ммоль химического эквивалента h3SO4. Молочная кислота в большом количестве образуется в мышечных тканях при физических нагрузках. Из кишечника и тканей образовавшиеся при обмене веществ кислые и основные продукты постоянно поступают в кровь и межклеточную жидкость. Однако 12 подкисление этих сред не происходит и их водородный показатель поддерживается на определенном постоянном уровне. Так значения рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,4 до 7,8, межклеточной жидкости – 6,8-7,4 (в зависимости от вида тканей). Особенно жесткие ограничения на возможные колебания значений рН накладываются на кровь. Состоянию нормы соответствует интервал значений рН = 7,4±0,05. Постоянство кислотно-основного состава биологических жидкостей человеческого организма достигается совместным действием различных буферных систем и ряда физиологических механизмов. К последним прежде всего относятся деятельность легких и выделительная функция почек, кишечника, клеток кожи. Основными буферными системами человеческого организма являются: гидрокарбонатная (бикарбонатная), фосфатная, белковая, гемоглобиновая и оксигемоглобиновая. В различных количествах и сочетаниях они присутствуют в той или иной биологической жидкости. Причем только кровь содержит в своем составе все четыре системы. Кровь представляет собой взвесь клеток в жидкой среде и поэтому ее кислотно- основное равновесие поддерживается совместным участием буферных систем плазмы и клеток крови. Бикарбонатная буферная система является самой регулируемой системой крови. На ее долю приходится около 10% всей буферной емкости крови. Она представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из гидратов молекул СО2 (СО2 · Н2О) (выполняющих роль доноров протонов) и гидрокарбонат ионов НСО3 – (выполняющих роль акцептора протонов). Гидрокарбонаты в плазме крови и в других межклеточных жидкостях находятся главным образом в виде натриевой соли NaНСО3, а внутри клеток – калиевой соли. Концентрация ионов НСО3 – в плазме крови превышает концентрацию растворенного СО2 примерно в 20 раз. При выделении в кровь относительно больших количеств кислых продуктов ионы Н + взаимодействуют с НСО3 – . Н + + НСО3 – = Н2СО3 Последующее снижение концентрации получившегося СО2 достигается в результате его ускоренного выделения через легкие в результате их гипервентиляции. Если же в крови увеличивается количество оснóвных продуктов, то происходит их взаимодействие со слабой угольной кислотой: Н2СО3 + ОН – → НСО3 – + Н2О При этом концентрация растворенного углекислого газа в крови уменьшается. Для сохранения нормального соотношения между компонентами буферной системы происходит физиологическая задержка в плазме крови некоторого количества СО2 за счет гиповентиляции легких. Фосфатная буферная система представляет собой сопряженную кислотно-оснóвную пару Н2РО4 – /НРО4 2– . СО2 Н2О

Понятие о буферных растворах, буферной ёмкости, рН растворов

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Волгоградский государственный медицинский университет

Министерства Здравоохранения Российской Федерации

Кафедра  клинической лабораторной диагностики с курсом клинической лабораторной диагностики ФУВ

Реферат

на тему:

«Понятие о буферных растворах, буферной ёмкости, рН растворов.

Уравнение Гендерсона- Хассельбаха. Основные показатели кислотно-основного равновесия крови. Буферные системы крови»

Выполнила: студентка 2 курса

лечебного факультета 19 группы

Рюмина Екатерина Андреевна

Проверила:

Матохина Ульяна Борисовна 

Волгоград 2014

Содержание:

1. Введение
2. Понятие о буферных растворах
3. Буферная ёмкость
4. Уравнение Гендерсона- Хассельбаха. Вычисление рН и рОН буферных систем
5. Основные показатели кислотно-основного равновесия крови
6. Буферные системы крови
7. Заключение
8. Список литературы

Введение

Многие реакции в растворе протекают в нужном направлении только при определенной концентрации ионов Н+. Изменение её в ту или иную сторону от соответствующего оптимального значения приводит к появлению новых, часто нежелательных продуктов. В связи с этим, поддержание постоянного значения рН на протяжении всего времени осуществления реакции часто является важным условием ее успешного завершения.

Особенно актуально это для биохимических процессов, протекающих в живых организмах. Большинство из них катализируется различными ферментами или гормонами, проявляющими свою биологическую активность только в строго определенном и достаточно узком интервале значений рН.

Важную роль в поддержании постоянного рН играют буферные растворы или буферные системы.

Понятие о буферных растворах

Растворы, способные сохранять постоянной концентрацию ионов Н+ при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разбавлении, называются буферными растворами или буферными системами.

Свойство данных растворов сохранять неизменным присущее им значение рН при вышеперечисленных обстоятельствах, называется иначе буферным действием.

Кислотно-основная пара буферного раствора представляет собой слабую кислоту и ее соль, образованную сильным основанием (например, уксусная кислота СН3СООН и ацетат натрия Ch4COONa) или слабое основание и его соль, образованную сильной кислотой (например, гидроокись аммония Nh5OH и хлористый аммоний Nh5CI). При разведении раствора или добавлении к нему некоторого количества кислоты или щелочи кислотно-основная пара способна соответственно быть донором либо акцептором водородных ионов, поддерживая т.о. величину водородного показателя рН на относительно постоянном уровне.

Значение рН кислотно-основного буферного раствора зависит от концентраций компонентов буферной смеси, находящихся в химическом равновесии, и мало меняется при концентрировании и разбавлении раствора, введении относительно небольших количеств веществ, взаимодействующих с одним из компонентов буферного раствора. Наиб. распространены водные кислотно-основные буферные растворы. Они содержат слабую кислоту НА и сопряженное с ней основание А -, напр. СН3СООН и СН3СОО-, Nh5+ и Nh4. В таких системах осуществляется равновесие:

По данным о константе диссоциации кислоты Ка = — [Н3О+] [А- ] /[НА] определяют значение рН раствора:  

где [НА] и [А-] -равновесные концентрации соответствующей кислоты и основания, рКа= —lgКа. Это значение рН остается практически постоянным, т.к. при добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований ионы Н3О+ или ОН- связываются основанием (кислотой) с образованием сопряженной кислоты (основания).

Тканевая жидкость, кровь, моча и другие биологические жидкости являются буферными растворами. Благодаря действию их буферных систем поддерживается относительное постоянство водородного показателя внутренней среды, обеспечивающее полноценность метаболических процессов. Наиболее важной буферной системой является бикарбонатная система крови. Концентрация в крови бикарбонатов служит одним из основных показателей кислотно-щелочного состояния организма. Этот показатель позволяет установить характер нарушения кислотно-щелочного равновесия  при ряде патологических процессов.

В лабораторной практике буферные растворы используют в тех случаях, когда то или иное исследование может быть проведено лишь при постоянном значении рН (например, определение активности ферментов, изучение кинетики ферментативных реакций, электрофоретическое разделение белковых смесей и др.) и в качестве стандартов при определении рН различных растворов, в т.ч. биологических жидкостей.

Буферные растворы готовят обычно путем растворения в воде взятых в соответствующих пропорциях слабой кислоты и ее соли, образованной щелочным металлом, частичной нейтрализации слабой кислоты сильной щелочью или слабого основания сильной кислотой, растворения смеси солей многоосновной кислоты.

Буферная емкость

Способность буферных систем противодействовать резкому изменению рН при добавлении к ним сильной кислоты или основания является ограниченной. Буферная смесь поддерживает рН постоянным только при условии, что количество вносимых в раствор сильной кислоты или щелочи не превышает определенной величины. В противном случае наблюдается резкое изменение рН, т.е. буферное действие раствора прекращается.

Это связано с тем, что в результате протекающей реакции изменяется соотношение молярных концентраций компонентов буферной системы: С кислоты/С соли или С основания/С соли.

При этом концентрация компонента, реагирующего с добавленной кислотой или щелочью, уменьшается, а концентрация второго компонента возрастает, т.к. он дополнительно образуется в ходе реакции.

Количественно буферное действие раствора характеризуется с помощью буферной емкости (В). При этом различают буферную емкость по кислоте (Вк.) и буферную емкость по основанию или щелочи (Во.).

Буферной емкостью по кислоте является то количество химического эквивалента сильной кислоты, которое нужно добавить к 1 литру (1 дм3) буферной системы, чтобы уменьшить её рН на единицу.

Буферной емкостью по основанию является то количество химического эквивалента сильного основания (щелочи), которое нужно добавить к 1 литру (1 дм3) буферной системы, чтобы вызвать увеличение ее рН на единицу.

Величина буферной емкости зависит от концентраций компонентов буферной системы и от их соотношения.

Чем более концентрированным является буферный раствор, тем выше его буферная емкость, т.к. в этом случае добавление небольших количеств сильной кислоты или щелочи не вызовет существенного изменения концентраций его компонентов, а значит и их соотношения.

Из буферных растворов с одинаковым суммарным содержанием химического количества их компонентов наибольшей емкостью будут обладать те, которые составлены из равного числа молей слабой кислоты и её соли или слабого основания и его соли (рис. 35). В таких растворах молярные концентрации компонентов будут одинаковые, а значит соотношение Скислоты/Ссоли = 1 и Соснования/ Ссоли.= 1.

Среди всех буферных систем организма наибольшей буферной емкостью обладает бикарбонатная кислотно-основная буферная система крови.

Уравнение Гендерсона- Хассельбаха.

Вычисление рН и рОН буферных систем

Каждая из буферных систем характеризуется определенной присущей ей концентрацией ионов Н+(активной кислотностью), которую система и стремится сохранить на неизменном уровне при добавлении к ней сильной кислоты либо щелочи.

Установим на примере ацетатного буфера факторы, влияющие на величину активной кислотности.

В растворе данной буферной системы происходят следующие реакции электролитической диссоциации:

Ch4COOH D Ch4COO– + H+

Ch4COONa → Ch4COO– + Na+

(Гидролиз соли, т.е. взаимодействие ацетат-ионов  с Н2О

Ch4COO– + HOH D Ch4COOH + OH–

учитывать не будем.)

Таким образом, ионы Н+ образуются только за счет диссоциации некоторого числа молекул уксусной кислоты. Этот процесс является обратимым и количественно характеризуется константой кислотности Kа:

где  (или  ),  и  равновесные молярные концентрации ионов Н+, СН3СОО– и непродиссоциированных молекул кислоты.

Из данного уравнения можно выразить  (активную кислотность буферной системы):

Кроме уксусной кислоты, в растворе присутствует ее соль Ch4COONa. Она является сильным электролитом и полностью распадается на ионы. В результате этого концентрация анионов СН3СОО– резко возрастает, и согласно принципу Ле-Шателье, равновесие реакции диссоциации уксусной кислоты смещается влево, т.е. в сторону образования ее молекул. Причем диссоциация уксусной кислоты в присутствии собственной соли может быть настолько подавленной, что равновесную концентрацию ее нераспавшихся молекул в растворе можно считать равной концентрации СН3СООН, а равновесную концентрацию ацетат-ионов – исходной концентрации соли. В связи с этим выражение, по которому рассчитывается концентрация ионов Н+, можно записать иначе:

где Скислоты и Ссоли – исходные концентрации компонентов буферной системы.

Прологорифмируем полученное уравнение (с учетом того, что логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей):

и умножим обе его части на –1:

Как было показано нами ранее 

, a 

В связи с этим запишем уравнение для расчета концентрации ионов Н+ в окончательном виде: 

Данное выражение называется иначе уравнением Гендерсона-Хассельбаха. Его можно использовать для вычисления рН любой кислотной буферной системы. Например, для фосфатного буфера уравнение Гендерсона-Хассельбаха запишется следующим образом:

(в данной системе роль слабой  кислоты играет анион Н2РО4–, то  .

В водных растворах рН и рОН являются сопряженными величинами. Их сумма всегда равна 14, т.е.:

рН + рОН = 14

Зная концентрацию ионов Н+ или рН, можно вычислить концентрацию гидроксильных ионов или рОН.

Уравнения Гендерсона-Хассельбаха для расчета рОН и рН в оснóвных буферных системах выглядят следующим образом:

где pKb = –lg Kb (основания), Соснования и Ссоли – исходные молярные концентрации компонентов данных буферных систем, т.е. слабого основания и его соли с сильной кислотой.

Основные показатели кислотно-основного равновесия крови

Огромное значение для организма имеет такая гомеостатическая постоянная, как активная реакция крови, которая обеспечивает выполнение окислительно-восстановительных процессов, деятельность ферментов, а также направление и интенсивность всевозможных видов обмена.

Неразрывно с понятием кислотно-основного состояния связаны кислотность и щелочность раствора. Причем будет ли раствор щелочным или кислотным, напрямую зависит от содержащихся в нем свободных ионов водорода.

Что касается крови, то активная реакция характеризуется отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, или водородным показателем (pH).

Так, разработана шкала pH от 0 до 14, в которой в зависимости от содержания ионов водорода среду делят на кислую при pH от 0 до 7, щелочную – от 7 до 14, а также нейтральную, если pH равняется 7.

Что же обеспечивает постоянство кислотно-основного состояния?!

Этому способствует целый ряд физико-химических (буферные системы) и физиологических (легкие, печень, почки и др.) механизмов компенсации.

Так, буферные системы – это растворы, которые обладают способностью достаточно стойко поддерживать постоянную концентрацию ионов водорода даже при условии разбавления, а также добавления кислот и щелочей.

Различают следующие буферные системы:

• Бикарбонатная буферная система (смесь h3CO3 и HCO3+), которая является самой мощной из систем и составляет 53 % буферной емкости крови.

• Гемоглобин-оксигемоглобин буферная система – 35 %.

• Белковая буферная система – 7 %.

• Фосфатная – 5 %.

Теперь пришло время узнать, какое влияние на поддержание кислотно-основного состояния оказывают внутренние органы человека.

Например, большой вклад в этот жизненно необходимый процесс вносят легкие. А все из-за того, что в сутки легкими выделяется из организма примерно 15 000 моль углекислого газа, что соответствует удалению из крови приблизительно такого же количества ионов водорода. Кроме того, одним из самых важных показателей кислотно-основного состояния и его дыхательной составляющей является напряжение углекислого газа в крови (РаСО2).

Буферные емкости и их применение в системах отопления с твердотопливными котлами. / Новости

На российском рынке представлено множество моделей котлов на твердом топливе. В качестве топлива можно использовать дрова, угль, а также торфяные, деревянные, угольные и прочие брикеты.

При покупке котла на твердом топливе потребитель в первую очередь обратит внимание на то, какова длительность горения полной закладки топлива. Величина эта, безусловно, важна, однако к показателям в рекламных проспектах следует относиться с осторожностью. Причем производитель честно предупреждает, что это ориентировочные данные, так как продолжительность горения одной закладки топлива зависит от его качества, наружной и внутренней температуры, теплосберегающей способности здания и др. Так, дрова, влажность которых превышает 30 %, горят нестабильно и не обеспечивают должную температуру теплоносителя. Аналогичное явление возможно и при недостаточной тяге, даже если дрова сухие. Для экономии времени на обслуживание системы отопления на твердом топливе следует максимально автоматизировать управление тепловым режимом дома. При этом отопление должно быть равномерным, без перегрева во время топки и недогрева между топками.

Во-первых, сегодняшние производители котельного оборудования снабжают свои изделия увеличенными загрузочными камерами, а во-вторых, избавиться от такого недостатка позволяет усовершенствованная схема отопления с привлечением буферных емкостей для накопления избыточной энергии.

При отоплении твердым топливом главной проблемой является неравномерность температурного режима нагрева дома. Обычно мы начинаем топить котел, когда температура в доме опустилась ниже комфортной. Примерно через час топки температура достигает оптимального значения. Еще через некоторое время температура еще повышается и становится уже некомфортно высокой. Порой случаются ситуации, когда при отоплении дома котел перегревается, вследствие этого нагревается теплоноситель до кипения и поставляется к пластиковым или металлопластиковым трубам, которые вод воздействием высокой температуры могут повредиться. Справиться с этой ситуацией можно разными способами, включая установку охладительного теплообменника или переключающего клапана. Но данные способы нельзя назвать высокоэффективными, поскольку каждый из них имеет некоторые недостатки, касаемые их прямого назначения. Поэтому, на сегодняшний день предлагается отличная, хотя и дорогостоящая альтернатива, это буферная емкость, которая устанавливается между котлом и отопительной системой.

Понятие Буферная ёмкость применяется в разных областях науки и техники. Как правило это устройство или способность чего-либо накапливать определенный объем какого-либо вещества, энергии, ионов и т.п. Применительной к теплотехнической продукции, буферной ёмкостью называют сосуд, работающий под давлением или без, который служит для накопления и хранения воды с определенной температурой.

Пока горит топливо, в таком баке будет аккумулироваться горячий теплоноситель. Когда же горение прекратится, система отопления начнет использовать накопленное тепло и за счет него спокойно продержится до следующей загрузки котла топливом. Если правильно рассчитать объем бака, таким оригинальным и не самым дорогостоящим способом можно полностью нивелировать главный недостаток твердотопливных агрегатов – быстрое прогорание топлива. После установления буферной емкости с дровяным котлом Вы получите 20-ти процентную экономию дров.

Буферная емкость имеет другое название – аккумулятор тепла и помимо защитного действия при перегреве котла, она исполняет ряд немаловажных функций. По большему счёту, буферная ёмкость – это термос. Металлическая бочка в утеплителе от 500 до 1000 литров (можно больше, но обычно указанного объема достаточно).

Теплоаккумулятор позволяет сократить количество топок до 1 раза в сутки, кроме этого он дает возможность котлу работать в полную силу и максимально эффективно сжигать дрова. Можно установить один теплоаккумулятор емкостью до 10000 литров или соединить несколько небольших теплоаккумуляторов в батарею. Это зависит от энергопотребления. Теплоаккумулятор также аккумулирует «излишки» энергии в период спада спроса на бытовую горячую воду (ночью, в середине дня) и соответственно отдает ее в период активного спроса (утро, вечер), позволяя избежать периода ожидания, «когда вода нагреется». При наличии электричества и использовании двухучётного тарифа теплоаккумулятор тоже полезен: он позволяет накопить тепло ночью, когда электричество дёшево, и отдать днем, когда стоимость электричества увеличивается в 6-7 раз. В результате использования двухучетного тарифа стоимость отопления на электричестве и на дровах становится примерно одинакова!

После нагрева котлом теплоноситель можно долго циркулировать по системе отопления без использования котла. При хорошей теплоизоляции теплоаккумуляторы долго сохраняют температуру помещения от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости объема. А кроме того, в буферную емкость доплнительно можно установить ТЭН, который также будет поддерживать температуру.

Принцип действия

Принцип действия теплового аккумулятора заключается в том, что в процессе работы котла часть его энергии направляется на нагревание дополнительного объёма теплоносителя, находящегося в большой по объёму ёмкости. Эта ёмкость (бак) имеет хорошую теплоизоляцию с очень малыми теплопотерями. После того, как котёл прекратит работать, и помещение начнёт охлаждаться, датчик температуры воздуха (или температуры воды в системе отопления) включает циркуляционный насос, который подаёт горячую воду из бака-аккумулятора в систему отопления. Температура воздуха (воды) повышается до установленного значения, и датчик выключает насос. Температура воды в баке немного уменьшается, но из-за хорошей теплоизоляции продолжает оставаться достаточно высокой. Циклы включения и выключения насоса продолжаются до тех пор, пока температура воды в баке будет оставаться выше, чем в системе отопления. В зависимости от объёма бака-аккумулятора, теплопотерь помещения, температуры наружного воздуха и заданной температуры воздуха в доме, такое устройство может обеспечить комфортное тепло в доме от нескольких часов до 1,5 — 2х суток при неработающем котле. При отсутствии в доме людей термостат (датчик) можно настроить на минимальную температуру обогрева, тогда запасённой энергии хватит на ещё больший период времени.

Универсальные котлы отопления могут иметь разный объем буферной емкости, который зависит от мощностных характеристик самого котла. При этом стоит помнить, что больше мощность котла, тем больше должен быть объем буфера. Но практика показывает, что в среднем на 1 кВт мощности котла приходится 25 литров объема буфера.

Еще одним ярким преимуществом установки буферной емкости в системе отопления является возможность внедрения нагревательного элемента или ТЭНа мощностью не более 10 кВт. Такой подход позволит исключить возможность разморозки отопительной системы в случае отказа от ее эксплуатации. Нагревательный элемент будет поддерживать определенную температуру, которая не позволит замерзнуть теплоносителю в системе.

Единственный и основным недостатком буферной емкости является дороговизна данного дополнительного оборудования. В связи с чем, котлы отопления чаще всего оснащаются более дешевыми вариантами охлаждающих систем, который не могут в полной мере гарантировать безопасную работу от отопления загородного дома, дачи или коттеджа.

Объем теплоаккумулятора зависит в первую очередь от мощности котла. Теплоаккумулятор стоит выбирать так, чтобы время горения 2-3,5 ч (время горения одной полной загрузки дров) было бы достаточно для нагрева выбранного аккумулятора примерно на 40°C. При этом достигается наилучший кпд котла и оптимальное количество загрузок топлива в сутки (1-2 загрузки дров в сутки в морозную погоду). В таблице представлено время зарядки от котлов разной мощности (значения-ориентиры). В диапазоне желтого цвета – рекомендуемые время горения и объем теплоаккумулятора.

Преимущества системы

При применении буферной емкости коэффициент полезного действия твердотопливных котлов увеличивается до 83-88%, что приводит к экономии от 18 до 30 % преобразованной тепловой энергии за счет уменьшения пиков горения. Уменьшается количество загрузок твердого топлива. Появляется возможность приготавливать горячую воду в большом объеме. Уменьшается образование дегтя и кислот в камере сгорания, что значительно увеличивает срок службы котла и дымохода. Происходит экономия расхода топлива (на 30%) – при этом котел работает в режиме оптимальной эффективности на максимальной мощности до полного сгорания топлива. Кроме того, срок службы стального котла в обвязке с теплонакопителем в системе отопления увеличится до 20-25 лет. Для исключения закипания твердотопливного котла можно автоматизировать отопительные системы радиаторного и наполньго отопления при помощи термостатических клапанов с термоголовками, комнатных термостатов, недельных программаторов и погодозависимой автоматики. При использовании ночного тарифа на электричество. Ночью буферная емкость, используя дешёвый ночной тариф электричества, а днем “отдаёт” накопленное тепло на нужды отопления и производства бытовой горячей воды. При не постоянной подаче тепловой энергии как это в случае с солнечной батареей или при перепадах в потреблении тепла зданием, как например днем или ночью используется тепловой аккумулятор, чтобы выровнять суммарные энергозатраты. То есть аккумулятор запасает тепло днем ли в тот период когда его в избытке и отдает ночью или когда оно нужно. Буферная емкость способна аккумулировать тепло теплогенератора и поставлять его в систему отопления по мере надобности. Для бесперебойной работы буфера в данном случае устанавливается дополнительная автоматика. Твердотопливные котлы отопления имеют хорошую защиту от перегрева в случае установки буфера, поскольку перегретый теплоноситель будет смешиваться с водой, находящейся внутри буферной емкости. Буферная емкость дает возможность беспрепятственно связать несколько теплогенераторов в единую систему отопления. Буфер позволяет значительно сократить расход топлива, поскольку при специальной настройки системы можно добиться одной закладки топлива в сутки. Буфер улучшает КПД отопительной системы и тепловые параметры твердотопливного котла. Буферная емкость значительно повышает комфортность эксплуатации системы отопления, поскольку есть возможность при помощи дополнительной автоматики регулировать температуру внутри помещения и снаружи здания, корректируя температурный режим внутри дома.

Область применения

Солнечная энергия поступает только тогда, когда светит солнце, тепло от сжигания дров или брикетов доступное лишь тогда, когда горит огонь. Поступление тепловой энергии от теплового насоса или электрического нагревателя может быть экономически выгодным только в те периоды суток, когда действует сниженный тариф на коммунальные услуги. Еще больше осложняет ситуацию то, что температура воды, которую обеспечивают такие источники тепловой энергии, может значительно отличаться.

Для эффективною водоснабжения при наличии большой потребности в горячей воде — два и более санузлов в коттедже.

При горении твёрдого топлива в короткое время высвобождается огромное количество энергии «улетающее в трубу», но это «лишнее» тепло направляется в аккумулятор, а затем используется на нужды отопления и производства горячей бытовой воды. Очень эффективно применять тепловые аккумуляторы в комбинации с тепловым насосом или солнечной батареей. Что позволяет выровнять пики мощности в дневное и ночное время суток, а так же при резком похолодании на несколько дней.

Использование более трех источников энергии для отопления или ГВС.

Производство горячей санитарной воды за счет нагрева от воды системы отопления – это использование спирального теплообменника ГСВ, что кроме того решает проблемы связанные с образованием отложений, бактериальных колоний и т.п., так как вода в теплообменнике постоянно сменяется. Это дает неоспоримые преимущества с точки зрения гигиены.

Объем аккумулятора зависит в первую очередь от мощности котла. Теплоаккумулятор стоит выбирать так, чтобы время горения 2-3,5 ч (время горения одной полной загрузки дров) было бы достаточно для нагрева выбранного аккумулятора примерно на 40°C. При этом достигается наилучший кпд котла и оптимальное количество загрузок топлива в сутки (1-2 загрузки дров в сутки в морозную погоду). В таблице представлено время зарядки от котлов разной мощности (значения-ориентиры).

Установку буферной емкости рекомендуется планировать уже на стадии проектирования дома. В противоположном случае желания его смонтировать может не совпасть с техническими возможностями из-за нехватки места.

К минусам можно отнести размеры буферной ёмкости. Даже самая маленькая ёмкость на 500 литров имеет диаметр 600 мм (без утеплителя, с утеплителем – 800мм) и высоту 1800 мм. Ёмкость на тонну воды – 800 мм диаметр без утеплителя (пройдёт ли в двери?) и 2000 мм высоты. То есть для монтажа такой топочной 4-5 квадратных метров площади не хватит. Возможность установки появляется начиная с 5 м2, и это только возможность. Не факт, что получится. Для вынесения решения о возможности монтажа нужен выезд монтажников на объект. Комфортно такая топочная разместится на 12-15 м².

Буферная емкость для твердотопливного котла своими руками

Правильная система отопления с твердотопливным котлом  должна включать в себя буферную емкость, которая позволяет использовать созданное тепло очень эффективно. 

Польза буферной емкости

Твердотопливный котел весьма сложен в управлении мощностью. Если он выдает 25 кВт/ч, то заставить его работать так, чтобы создавались 5 кВт/ч, невозможно. Обычно его мощность можно снизить на 4-5 кВт/час.

В обвязку постоянно подается вода с температурой, не меньшей определенной отметки, например, 90 °С. Далее эта жидкость поступает в радиаторы отопления, которые передают тепло в помещение. Количество этого тепла всегда одинаково, и поэтому помещения дома прогреваются одинаково.

Потери тепла дома в течение года различны. В некоторые месяцы они почти равны количеству тепла, которое приходит с отопительной системы. Тогда внутри комнат формируется наиболее благоприятная температура.Когда эти потери очень маленькие (весной или осенью), в доме накапливается слишком много тепла, и температура воздуха с привычных +20…+22 °С поднимается на 3-8 °С. То есть становится слишком жарко. Открываются форточки, и избыточное тепло выходит наружу.

Предотвратить такую ситуацию можно с помощью буферной емкости, которая накапливает лишнее тепло. После того, как сгорают дрова в котле,  накопленное тепло поступает в радиаторы отопления.Котел может простаивать некоторое время. Продолжительность простоя зависит от накопленных в емкости кВт и потерь тепла.

Расчет буферной емкости

Он напрямую зависит от мощности котла отопления. Если он должен иметь мощность 35 кВт/ч, то объем буферной емкости должен превышать эту цифру в 25-50 раз. При этом учитываются нюансы:

1. Мощность агрегата взята для погоды, при которой дом теряет максимальное количество тепла. Например, когда температура опускается до -30 °С. Если при таком климате потери тепла составляют 33 кВт/час, то мощность котла должна быть такой же. Учитывают некоторый запас. Для прогрева схемы отопления должно создаваться 35 кВт/час.
2. Никаких надбавок к мощности устройства в расчете на то, что тепловой аккумулятор будет впитывать тепло, и система будет работать плохо, делать не стоит. Когда будет -30 °С, котел может работать в обход буферной емкости. Когда температура поднимется, тогда состоится подключение буфера к рабочей обвязке, и лишнее тепло будет накапливаться в нем.
3. Объем помещения, в котором должен быть агрегат вместе с буфером и другими частями схемы. Может возникнуть ситуация, когда очень большой теплоаккумулятор поставить не удастся. Например, для котла с мощностью 35 кВт/ч наиболее допустимым является аккумулятор с емкостью 35*50 = 1 750 л (это равно 1,75 м³), и поместить такой агрегат внутри помещения не получается. Тогда приходится рассчитывать его минимальный объем (35*25 = 875 л) и смотреть, хватает ли помещения. Если нет, то искать более подходящее.

Самодельная буферная емкость для устройства с мощностью 35 кВт/ч должна иметь объем 875-1750 л. Если планируется изготовление цилиндрической емкости (такой вариант является лучшим), то размеры могут быть такими:

1. Высота – 2 м.
2. Диаметр – 1 м (теплоаккумулятор с объемом, равным 1 750 л, должен иметь диаметр 1,06 м).

Если нужно изготовить основной цилиндр из одного листа металла, то его длина и ширина должны составлять 3,14 и 2 м соответственно. Если планируется сделать буферную емкость в виде параллелепипеда, то ее размеры – 1х1х1,75 м (ШхГхВ).

Материалы

Для изготовления этого элемента обвязки нужно подготовить:

1. Металлический лист толщиной, большей 2 мм. Альтернативой могут послужить 2 бочки с диаметром 1 м. Толщина стенок не должна быть меньше вышеуказанной цифры.
2. Медную или стальную трубку. Первый металл является лучшим, поскольку имеет большую теплопроводность. Диаметр трубы должен составлять 20 мм.
3. Патрубки с резьбой. Диаметр 7 из них должен составлять 20 мм. Еще нужны 4 патрубка диаметром 10 мм.
4. Минеральную или базальтовую вату.
5. Оцинкованный лист.
6. Термостойкую грунтовку.
7. Термостойкую краску.
8. Профильную трубу с размерами 4х4 или 5х5 см.
9. Уголок 3х3 см.
10. Резиновую прокладку толщиной 5-10 мм.

Изготовление цилиндрической емкости

Когда есть две бочки, нужно:

1. Срезать верх одной бочки.
2. Срезать дно другой. Если они вместе образуют емкость высотой 1,75 м, то можно приступать к срезанию верха второй бочки и сварке емкостей. Если же высота обеих слишком высокая, нужно одну из них надрезать.
3. Срезать верх второй бочки. Должен остаться только цилиндр.
4. Поставить бочку на бочку и сварить две емкости.
5. Приварить к внешней стороне верха цилиндра уголок. Его придется выгнуть так, чтобы он плотно прижался к бочке.
6. Вырезать из листового металла круг диаметром 1,07 см. Нужно, чтобы его край совпал с краем уголка.
7. В уголке и этом круге просверлить дырки. Это позволит закрепить верх буферной емкости на болты, что позже облегчит установку теплообменника и даст возможность проводить внутренний ремонт. Для герметизации на стык придется ставить резиновую прокладку.
8. Наварить на дно и верх ребра жесткости. Ими могут послужить уголки.
9. Разрезать профильную трубу на 4 отрезка  длиной 10-15 см. Они будут ножками емкости.
10. Приварить ножки к будущему теплоаккумулятору.

Что касается изготовления цилиндрической емкости из листа металла с толщиной, большей 2 мм, то выгнуть материал без прокатного станка почти невозможно. Поэтому ее изготовление лучше доверить специализированным компаниям.

Изготовление прямоугольной емкости

Буферную емкость для твердотопливного котла отопления изготовляют так:

1. Рисуют схему конструкции и определяют размеры каждой стенки. Нужно учитывать толщину сварочных швов. Она может составлять 1-3 мм (зависит от выбранных электродов и сварочного аппарата).
2. Разрезают листовой металл на куски.
3. Берут своими руками две стороны и прикладывают друг к другу так, чтобы они образовали прямой угол. Фиксируют предметами, которые имеют большой вес.
4. Выполняют в нескольких местах точечную сварку и проверяют правильность размещения металлических листов.
5. Делают внешний и внутренний сварочный шов.
6. По такой схеме приваривают все стенки и дно.
7. Вверху приваривают уголок, делают верх и сверлят дырки. Работают по такой же схеме, которая осуществляясь в случае с цилиндрической емкостью.
8. К каждой стороне приваривают по несколько ребер жесткости.
9. Изготавливают ножки и приваривают их.

Монтаж патрубков

Для их монтажа нужно просверлить отверстия. Схема размещения отверстий:

1. Два отверстия для одного теплообменника должны находиться возле дна. Их размещают на одной вертикальной линии. В этот теплообменник будет поступать вода от твердотопливного котла отопления.
2. Аналогичные два отверстия должны быть на другом конце.
3. Отверстие для подачижидкости в аккумулятор может находиться на высоте 30-40 см от дна. Отверстие для отвода воды лучше делать в дне.
4. Три отверстия для термометров должны быть рассредоточенными по высоте емкости. Их устанавливают на одной вертикальной линии.
5. Отверстие для клапана спуска воздуха должно находиться на верхней стороне.

Все патрубки, кроме тех, к которым будет осуществляться подключение теплообменника, можно приваривать только с внешней стороны. Остальные приваривают так, чтобы они выступали с обеих сторон стенок емкости.

Теплообменник и конечные действия

Теплообменник можно сделать своими руками в виде буквы «П» или в виде спирали. Пригодятся два таких теплообменника. Один будет занимать нижнюю половину емкости, другой – верхнюю.

Более эффективным является теплообменник в виде спирали потому, что получается максимальная площадь контакта трубки с водой в буферной емкости. П-образный теплообменник представляет собой две вертикальные трубки с приваренными к нему горизонтальными П-образными трубами.

Завершают изготовление буферной емкости так:

1. Изготавливают  теплообменник (сваривают П-образную конструкцию или скручивают трубку в виде спирали).
2. Очищают внутреннюю поверхность аккумулятора от ржавчины и любой грязи. Для этого используют тряпки и наждачную бумагу.
3. 5-6 раз грунтуют поверхность и столько же раз красят.
4. После высыхания краски проводят подключение теплообменников.
5. Заглушают большинство патрубков и проверяют емкость, а также медные трубчатые спирали на герметичность. Для этого выполняют подключение к водопроводу и после закачивают воду под давлением.
6. Очищают, грунтуют и красят внешнюю поверхность.
7. Приклеивают теплоизоляцию.
8. Обшивают конструкцию оцинкованным листом стали.

Лаборатория фармацевтики и рецептур

Буферы и емкость буфера

Буферы – это соединения, устойчивые к изменениям в pH при добавлении ограниченного количества кислот или оснований. Буферные системы обычно состоят из слабой кислоты или основания и их сопряженной соли. Компоненты действуют таким образом, что добавление кислоты или основания приводит к получению состава соли, вызывающей лишь небольшое изменение pH.

pH буферной системы определяется уравнением Хендерсона-Хассельбаха:

(для слабой кислоты и ее соли)

(для слабого основания и его соли)

где [соль], [кислота] и [основание] – это молярные концентрации соли, кислота и основание.

Объем буфера – мера эффективности буфера в сопротивлении изменениям pH. Условно буферная емкость () выражается как количество сильной кислоты или основания в граммах-эквивалентах, которое необходимо добавить к 1 литр раствора, чтобы изменить его pH на единицу.

Рассчитайте буферную емкость как:

= граммовый эквивалент сильной кислоты / основания для изменения pH 1 литра буферного раствора
= изменение pH вызвано добавлением сильной кислоты / основания

На практике измеряются меньшие изменения pH, а буферная емкость количественно определяется. выражается как отношение кислоты или основания, добавленных к произведенному изменению pH (например,грамм., мэкв. / pH для x объема). Емкость буфера существенно зависит от 2 факторов:

1. Отношение соли к кислоте или основанию. Буферная емкость оптимальна, когда соотношение 1: 1; то есть, когда pH = pKa
2. Общая концентрация буфера. Например, потребуется больше кислоты или основания. для истощения 0,5 М буфера, чем 0,05 М буфера.

Дана зависимость между буферной емкостью и концентрацией буфера. по уравнению Ван Слайка:

где C = общая концентрация буфера (т.е.е. сумма молярных концентраций кислоты и соли).

Так же, как мы часто должны идти на компромисс с оптимальным pH для продукта, мы должны идти на компромисс. от оптимальной буферной емкости нашего раствора. С одной стороны, буферная емкость должен быть достаточно большим, чтобы поддерживать pH продукта в течение достаточно длительного срока хранения. Изменения pH продукта могут быть результатом взаимодействия компонентов раствора с друг с другом или с упаковкой продукта (стеклянная, пластиковая, резиновая заглушка и т. д.). С другой стороны, буферная емкость офтальмологических и парентеральных продуктов должен быть достаточно низким, чтобы можно было быстро адаптировать продукт к физиологическим характеристикам. pH при введении.PH, химическая природа и объем раствора. должны быть приняты во внимание все. Емкость буфера от 0,01 – 0,1 обычно достаточно для большинства фармацевтических растворов.

буферов | Протокол

Буферы

Когда кислота Аррениуса (HA) добавляется к воде, она диссоциирует на сопряженное основание (A ^–) и катион водорода (H ⁺ ).

HA + H ₂ O → H ⁺ _(водн.) + A ^– _(водн.)

Количество ионов водорода, присутствующих в растворе, определяет кислотность раствора, где большее количество ионов водорода указывает на более низкий или более кислый pH.Точно так же, когда сильное основание Аррениуса (BOH) добавляется к воде, оно диссоциирует на сопряженную кислоту (B ⁺ ) и гидроксид-ион (OH ^–).

BOH + H ₂ O → B ⁺ _(водн.) + OH ^– _(водн.)

Обычно добавление сильных кислот или оснований к раствору резко изменяет pH, поскольку кислота или основание реагируют с молекулами воды в растворе, увеличивая концентрацию ионов водорода или гидроксид-ионов.Однако это изменение pH можно уменьшить с помощью буфера. Буферы – это растворы, которые работают для поддержания постоянного pH в системе, независимо от добавления сильных кислот или оснований.

Чаще всего компоненты буфера представляют собой сопряженную кислотно-основную пару слабой кислоты или слабого основания. По этой причине сильные кислоты или основания, которые полностью диссоциируют в воде, образуют очень плохие буферы, а слабые кислоты или основания, которые частично диссоциируют, создают лучшие буферы. Когда присутствует буфер, сильная кислота или основание не реагирует с молекулами воды, присутствующими в растворе, а вместо этого реагирует со слабой кислотой / конъюгатом основания.Это приводит к незначительному изменению pH раствора или его отсутствию.

Эффект общих ионов

Буфер работает за счет явления, называемого общим ионным эффектом. Эффект обычного иона возникает, когда данный ион добавляется к смеси при равновесии, которая уже содержит данный ион. Когда это происходит, равновесие смещается на от от образования большего количества этого иона.

Например, уксусная кислота (CH ₃ COOH) слегка диссоциирует в воде, образуя ацетат-ион (CH ₃ COO ^–) и ион водорода.

CH ₃ COOH _(водн.) H ₂ O ⇔ H ⁺ _(водн.) + CH ₃ COO ^– _(водн.)

Если больше ацетат-иона добавляется из растворимого ацетата натрия, положение равновесия смещается влево, образуя больше недиссоциированной уксусной кислоты, и концентрация ионов водорода уменьшается. Здесь обычный ион – ацетат – подавляет диссоциацию уксусной кислоты.

Буфер должен содержать высокие концентрации как кислотного (HA), так и основного (A ^– ) компонентов для буферизации раствора.Если количество ионов водорода или гидроксида, добавленных в буфер, невелико, они вызывают преобразование небольшого количества одного компонента буфера в другой. Пока концентрация добавленных ионов намного меньше, чем концентрации HA и A ^–, уже присутствующие в буфере, добавленные ионы будут мало влиять на pH, поскольку они потребляются одним из компонентов буфера. Когда концентрация водорода или гидроксида превышает концентрацию кислоты и ее конъюгированного основания, буферный эффект теряется, и pH изменяется.

Уравнение Хендерсона-Хассельбаха

Константа диссоциации, K _a , слабой кислоты рассчитывается с использованием концентраций недиссоциированной кислоты HA и концентраций ионов водорода и сопряженного основания A ^–.

Более высокие значения K _a соответствуют более сильным кислотам, тогда как меньшие значения K _a соответствуют более слабым кислотам. Для определения концентрации ионов водорода уравнение перестраивается.В этой форме ясно, что соотношение кислотных и основных видов важно для определения концентрации ионов водорода и, соответственно, pH.

Отрицательный десятичный логарифм обеих сторон дает уравнение Хендерсона-Хассельбаха.

Уравнение Хендерсона-Хассельбаха позволяет рассчитать pH буфера напрямую, без предварительного расчета концентрации ионов водорода.

Например, его можно использовать для определения pH 1 л буфера после добавления 0.02 моль прочного основания. Сильное основание полностью диссоциирует, поэтому концентрация добавленных гидроксильных ионов составляет 0,02 М. Это снизит концентрацию кислоты на 0,02. Предполагая, что исходная концентрация кислотного (HA) и основного (A ^–) компонентов составляет 0,5 M каждая, новая концентрация основания увеличивается на 0,02 M до 0,52 M, в то время как концентрация кислоты уменьшается на 0,02 M до 0,48 M. Зная pK _a кислотного компонента буфера, мы можем подставить эти новые концентрации компонентов в уравнение Хендерсона-Хассельбаха для определения pH.

Это полезно для определения буферной емкости или того, сколько сильной кислоты или сильного основания можно добавить в буфер без значительного влияния на pH.

Буферная емкость

Емкость буфера – это мера способности буфера противостоять изменению pH. Эта способность зависит от концентрации компонентов буфера, то есть кислоты и ее конъюгированного основания. Более высокая концентрация буфера имеет большую буферную емкость. Это означает, что необходимо добавить большее количество ионов водорода или более сильную кислоту, чтобы нарушить равновесие и изменить pH буфера.

На емкость буфера также влияют относительные концентрации компонентов буфера. Буфер более эффективен, когда концентрации компонентов близки. Если соотношение компонентов буфера одинаковое, то соотношение концентраций компонентов существенно не изменяется при добавлении кислоты или основания; необходимо добавить большое количество кислоты или основания, чтобы компенсировать соотношение и изменить pH.

pH буфера отличается от его буферной емкости. Диапазон pH – это диапазон, при котором буфер эффективен.Обычно буферные растворы имеют диапазон использования в пределах 1 единицы pH от pK _– кислотного компонента буфера.

Список литературы

1. Коц, Дж. К., Трейхель-младший, П. М., Таунсенд, Дж. Р. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Белмонт, Калифорния: Брукс / Коул, Cengage Learning .
2. Зильберберг, М. (2009). Химия: молекулярная природа вещества и изменения . Бостон, Массачусетс: Макгроу Хилл.

органическая химия – Почему буферная способность увеличивается с увеличением pKₐ кислотного компонента?

Объем буфера зависит от $ K_ \ mathrm {a} $ кислоты.+ <= >> AH}. $$ Если в растворе образуется щелочь (которая имеет тенденцию удалять протоны), мы имеем $$ \ ce {AH + OH- <=> A- + H_2O}. $$

Большинство буферов состоят из смесей либо слабой кислоты и ее соли, либо слабого основания и ее соли. +]} $, которое необходимо добавить в литр буфера, чтобы уменьшить $ \ mathrm {pH} $ на одну единицу.2}, $$ где $ [C] $ – сумма концентраций $ \ ce {A -} $ amd $ \ ce {AH} $. Это соотношение означает, что буферная емкость увеличивается с концентрацией буфера. Буферы лучше всего работают при значениях $ \ mathrm {pH} $ около их $ \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a} $ наибольшего pH, эффективны на одну единицу $ \ mathrm {pH} $ выше единицы ниже их $ \ mathrm {p } K_ \ mathrm {a} $.
Я надеюсь, что приведенная ранее формула поможет прояснить, как емкость буфера связана с $ \ mathrm {p} K_ \ mathrm {a} $ (поскольку они действительно связаны).-}]} & 0,25 \ \ hline \ end {array}

Решено: 1) Буферная емкость части А зависит от двух количеств …

1)

Часть A

Объем буфера зависит от двух количества. Кто они такие?

CHEM 245 – Буферы

ТЕМЫ БИОХИМИИ

Буферы

Определение и свойства буфера.Расчет pH буфера и уравнение Хендерсона-Хассельбаха.

Буферы

Разработку метода расчета pH можно описать с помощью четырех общих случаев. (в зависимости от того, как вы их считаете): (1) Сильная кислота / сильное основание; (2) Слабая кислота / слабое основание ; (3) буфер; а также (4) Промежуточные формы полипротонные кислоты . В лабораторной части курса также исследует свойства буферов.Здесь примеры расчетов используются при подготовке буферов, и те, которые используются для прогнозирования изменений в pH буферной системы, возникающей при добавлении указанного учитываются количества сильных кислот или оснований. Дальнейшие практические аспекты приготовления и использования буфера, включая концепцию буферной емкости, также исследуются.

Уравнение Хендерсона-Хассельбаха

Одно из самых полезных уравнений в кислотно-щелочной химии – это уравнение Хендерсона-Хассельбаха. уравнение.

Вывод уравнения Хендерсона-Хассельбаха для слабой кислоты формы BH ⁺ показано на верно. Всегда начинают с уравнения диссоциации кислоты, которое для BH ⁺ показывает производство нейтральной базы B и H ⁺ . Определение K _a следует путем применения обычное правило построения выражения для константы равновесия уравнению диссоциации кислоты (линия 2).Затем примените определение p K _a = – лог K _a (строка 2, 2-й ур.). Свойство журнала функция log ( ab ) = log a + log b используется для отделения журнала [H ⁺ ] от log ([B] / [BH ⁺ ]) термин (строка 3), затем определение pH (строка 4). По сути, это Хендерсон-Хассельбах уравнение, которое мы запишем в любой форме, наиболее удобной для проблема под рукой.Преобразуя это уравнение (строка 5), мы имеем вид обычно представлены в учебниках.

Необходимые вычисления буфера

Обозначим общее химическое количество буферных частиц в данном объеме и концентрации. буферного раствора как N , измеренное в молях (моль) или миллимолях (ммоль). Если объем не указан, можно принять N как химическое количество всего буфера. видов в ровно 1 л буфера заданной концентрации (М или мМ).Под общими буферными видами мы подразумеваем сумму и кислотных форм буфер и сопряженное основание. Если говорить о буфере с концентрацией, скажем, 50 мМ, это означает, что Сумма концентрации кислотной формы и основной формы составляет 50 мМ. Если мы укажем объем и концентрацию буферного раствора, пусть a будет химическое количество кислотных разновидностей и b представляют химическое количество основной формы.Тогда у нас будет

N = a + b

Как правило, по вопросу приготовления буфера, указав целевой объем и целевую концентрацию. для буферного решения мы затем решаем задачу “два уравнения с двумя неизвестными”, периодически возникающая проблема в химии и математике во многих других научных дисциплинах. Два наших неизвестных: a и b .Первым уравнением, которое нам понадобится, будет выражение для общего химического количества буферных частиц N выше. Опять же, это определяется нашим выбором концентрации и объема. Второе уравнение получается из решения уравнения Хендерсона-Хассельбаха для отношения r химическое вещество составляет 900 и основных и кислотных форм буфера, соответственно. Значение r определяется p K _a кислотной формы буферной пары. и целевой pH, который мы устанавливаем.Таким образом, мы задаем два уравнения:

10 ^{pH – p K a} = b / a = r

N = a + b

Решение этой пары уравнений является фундаментальным для любого расчета подготовки буфера, как показано на пример задачи .

Практические аспекты буферов

• Приготовление буфера
• Фактический pH vs.расчетный pH
• p K _a зависит от
  • Концентрация
  • Температура
  • Ионная сила

“ Мой pH _расчет ≠ pH _изм ”

• pH _calc (и все расчеты на основе равновесия) предполагают идеальное поведение раствора при использовании концентраций
• Фактический pH определяется активностью ( a ), а не концентрациями:
  • a _HA = γ _HA [HA], где γ _HA = коэффициент активности ГА (более подробную информацию см.4, гл.12).
• Коэффициенты активности стремятся к 1, когда концентрация стремится к нулю
• Ионные частицы имеют гораздо более высокие коэффициенты, чем нейтральные молекулы в целом

Буферная емкость

Вместимость буфера зависит от общей (формальной) концентрации буферного вида ([кислота] + [конъюгированное основание]), и для данного общая концентрация, общая буферная емкость будет максимальной, когда [кислота] = [конъюгированное основание] – то есть, когда pH = p K _a для кислотная форма этого буфера.

Если заранее известно, что буфер должен будет сопротивляться увеличению в pH из-за добавления основания (или, что эквивалентно, расход H ⁺ ), и что защита от кислоты не требуется, можно подготовить буфер с начальным избытком кислые разновидности. Это обеспечит дополнительную меру буфера емкость в этой особой ситуации. Аналогичная идея верна, если буфер должен защищать от добавления кислоты, а не основания: буфер с может потребоваться первоначальный избыток основных видов.

Как мы видим, когда учимся титрование кривых, изменение pH раствора, который представляет собой смесь слабой кислоты и конъюгированного основания (то есть Aha! Буфер! ), который титруется сильным основанием (добавление OH ^–), представляет собой наименьший, когда pH достигает p K _a слабой кислоты; т.е. . при pH = p K _a . Это можно показать аналитически, используя методы расчета для получения выражения для производной кривой титрования.Производная d pH / dn является наклоном кривой титрования, и поскольку этот наклон будет наименьшим (ближайшим к горизонтали с pH вдоль вертикальной оси) при наибольшей буферной емкости, обратное выражение этого выражения дает одно общее определение буферной емкости, обозначаемое как β:

Это уравнение, которое справедливо для диапазона значений pH p K _a ± 2, показывает (как и ожидалось) зависимость буферной емкости от общей концентрации буфера [ C ].Выражение достигает максимального значения ln10 [ C ] / 4, когда [H ⁺ ] = K _a . Для некоторых приложений (таких как ситуация, отмеченная выше, когда мы обеспокоены емкостью буферизации) против одного или другого из добавленных H ⁺ или OH ^–, но не обоих), мы можем принять более практичное определение буферной емкости, которое учитывает сопротивление данный буфер при данном pH изменяет как добавленную кислоту, так и добавленное основание.Буферная емкость в кислотном направлении (BC _a ) может быть определена как количество молей H ⁺ , которые должны быть добавлены к одному литру буфера, чтобы снизить pH на 1 единицу, и буферная емкость в щелочном направлении (BC _b ) как количество молей OH ^– , которое необходимо добавить (на литр) буфера для увеличения pH на 1 единицу.

Физиологические буферы

В качестве примера физиологически значимой буферизации рассмотрим систему диоксид углерода / бикарбонат, показанную ниже:

Несколько важных моментов, чтобы связать всю химию, указанную выше, с физиологией:

• Биологическая система открыта, что означает, что она обменивается веществом и энергией со своим окружением.В этом сценарии это означает (например), что избыток метаболического углекислого газа выбрасывается в окружающую среду.
• Углекислый газ – это нейтральная неполярная молекула, которая может легко диффундировать через мембраны. Бикарбонат является заряженным веществом и не проникает через мембраны со значительной скоростью, если этому не способствуют трансмембранные каналы.

См. Карбоангидразу страница тем для полного обсуждения.

Страницы со связанными темами:

14,6 Буферы – Химия 2e

Изменения pH в буферных и небуферизированных растворах

(a) Рассчитайте pH ацетатного буфера, который представляет собой смесь 0,10 M уксусной кислоты и 0,10 M ацетата натрия.

(b) Рассчитайте pH после добавления 1,0 мл 0,10 NaOH к 100 мл этого буфера.

(c) Для сравнения рассчитайте pH после добавления 1,0 мл 0,10 M NaOH к 100 мл раствора небуферизованного раствора с pH 4,74.

Решение

(a) Следуя подходу ICE к этому расчету равновесия, получаем следующее:

Подставляем члены равновесной концентрации в выражение K _a , предполагая, что x << 0.10, и решение упрощенного уравнения для x дает

(b) Рассчитайте pH после добавления 1,0 мл 0,10 M NaOH к 100 мл этого буфера.

Добавление сильной кислоты нейтрализует часть уксусной кислоты с образованием конъюгированного иона ацетата основания. Вычислите новые концентрации этих двух компонентов буфера, затем повторите расчет равновесия части (а), используя эти новые концентрации.

Начальное молярное количество уксусной кислоты составляет

Количество уксусной кислоты, оставшейся после нейтрализации некоторого количества добавленным основанием, составляет

Вновь образованный ацетат-ион вместе с первоначально присутствующим ацетатом дает конечную концентрацию ацетата

Вычислить молярные концентрации для двух компонентов буфера:

Используя эти концентрации, можно рассчитать pH раствора, как в части (a) выше, получив pH = 4,75 (лишь немного отличается от значения до добавления сильного основания).

(c) Для сравнения рассчитайте pH после 1.0 мл 0,10 M NaOH добавляют к 100 мл раствора небуферизованного раствора с pH 4,74.

Количество иона гидроксония, изначально присутствующего в растворе, составляет

Количество гидроксид-иона, добавленного в раствор, составляет

Добавленный гидроксид нейтрализует ион гидроксония посредством реакции

Стехиометрия этой реакции 1: 1 показывает, что был добавлен избыток гидроксида (большее молярное количество, чем изначально присутствующий ион гидроксония).

Остаток гидроксид-иона

, что соответствует молярности гидроксида

Затем рассчитывается pH раствора, равный

В этом небуферированном растворе добавление основания приводит к значительному повышению pH (с 4,74 до 10.99) по сравнению с очень небольшим увеличением, наблюдаемым для буферного раствора в части (b) (с 4,74 до 4,75).

Проверьте свои знания

Ответ:

Начальный pH 1,8 × × 10 ⁻⁵ M HCl; pH = −log [H ₃ O ⁺ ] = −log [1,8 × · 10 ⁻⁵ ] = 4,74
Моли H ₃ O ⁺ в 100 мл 1.8 × × 10 ⁻⁵ M HCl; 1,8 × × 10 ⁻⁵ моль / л × × 0,100 L = 1,8 × × 10 ⁻⁶
Моли H ₃ O ⁺ , добавленные путем добавления 1,0 мл 0,10 M HCl: 0,10 моль / л × × 0,0010 л = 1,0 × × 10 ^–4 моль; конечный pH после добавления 1,0 мл 0,10 M HCl:

Буферная способность пищевых продуктов: методы количественной оценки и ее значение для пищеварения и здоровья

Сложная взаимосвязь между свойствами пищевых продуктов и их поведением во время пищеварения человека изучена недостаточно. Во время переваривания желудка происходит химическое и физическое расщепление пищи в результате желудочного секрета и перистальтических сокращений соответственно. Распад пищевых продуктов регулируется свойствами пищевых продуктов, такими как физико-химический состав и макроструктура, включая текстуру и вязкость.Еще одно свойство пищи, которое может играть решающую роль в химическом расщеплении пищевых продуктов и секреции желудочного сока, но которое в значительной степени игнорировалось в предыдущих исследованиях, – это буферная способность пищи. Буферная способность – это характеристика пищевых продуктов из-за наличия кислотно-основных групп, которые вызывают сопротивление изменению pH после добавления кислоты или щелочи. Буферная способность пищевых продуктов изучалась в различных сферах применения, в том числе для производства продуктов питания для людей и кормов для животных, а также для целей здравоохранения, включая пищеварение, гастроэзофагеальную рефлюксную болезнь, разработку лекарств и фармацевтических препаратов, пищевую аллергенность и здоровье зубов.Однако ограничением для широкого внедрения измерений буферной емкости является стандартный метод, поскольку результаты многих предыдущих исследований нельзя напрямую сравнивать и использовать разные методы измерения и количественной оценки. Взаимосвязь между составом пищи и физическими свойствами с буферной способностью, а также то, как буферная способность пищи может влиять на желудочные секреции и опорожнение желудка во время пищеварения, недостаточно изучена. Для улучшения будущих исследований пищеварения и оптимизации функциональных пищевых продуктов необходимо развитие фундаментального понимания влияния свойств пищевых продуктов на буферную способность и ее влияние на желудочные секреции и расщепление во время пищеварения.