Буферные растворы и протолитическая теория кислот и оснований Брёнстеда — Лоури

Теория Аррениуса ограничена только водными растворами. Датский ученый Йоханнес Брёнстед и английский ученый Томас Лоури создали более общую протолитическую теорию:

1. Кислота — это частица (молекула или ион), способная отдавать протон H⁺ (донор протона).

2. Основание — это частица (молекула или ион), способная присоединять протон H⁺ (акцептор протона).

3. Кислотно-основное взаимодействие — это протолитическая реакция передачи протона от кислоты к основанию:

Кислота₁ + Основание₂ ⇄ Основание₁ + Кислота₂.

Каждой кислоте соответствует сопряженное основание (образующееся после отдачи протона), формируя сопряженную протолитическую пару:

• CH₃COOH (кислота₁) / CH₃COO⁻ (сопряженное основание₁);

• H₂O (основание₂) / H₃O⁺ (сопряженная кислота₂).

Вещества, способные в зависимости от партнера и отдавать, и принимать протоны (H₂O, HCO₃⁻, H₂PO₄⁻, аминокислоты), называются амфолитами (амфотерными электролитами).

Буферный раствор — это раствор, обладающий свойством сохранять практически постоянное значение pH при добавлении небольших количеств сильных кислот или щелочей, а также при разбавлении.

Состав буферных систем:

1. Кислотный буфер: слабая кислота + ее соль с сильным основанием (сопряженное основание):

Например, ацетатный буфер: CH₃COOH + CH₃COONa.

2. Основный буфер: слабое основание + его соль с сильной кислотой (сопряженная кислота):

Например, аммиачный буфер: NH₃·H₂O + NH₄Cl.

Механизм буферного действия ацетатного буфера:

• При добавлении сильной кислоты (H⁺) добавленные протоны связываются ацетат-анионами соли в слабую недиссоциированную уксусную кислоту: H⁺ + CH₃COO⁻ → CH₃COOH (pH не падает!);

• При добавлении сильной щелочи (OH⁻) гидроксид-ионы связываются молекулами уксусной кислоты с образованием воды: OH⁻ + CH₃COOH → CH₃COO⁻ + H₂O (pH не растет!).

Поддержание строго постоянного значения pH внутренней среды организма (гомеостаза) жизненно необходимо, так как от pH зависит активность всех ферментов и конформация белков.

pH крови человека в норме поддерживается с фантастической точностью в узком диапазоне 7.36–7.44 (среднее значение 7.40). Сдвиг pH крови ниже 7.0 (ацидоз) или выше 7.8 (алкалоз) приводит к коме и летальному исходу.

Главные буферные системы крови человека:

1. Гидрокарбонатная буферная система (H₂CO₃ / NaHCO₃) — обеспечивает более 50% буферной емкости плазмы крови. Тесно связана с дыханием: избыток кислоты удаляется легкими в виде выдыхаемого CO₂: H⁺ + HCO₃⁻ ⇄ H₂CO₃ ⇄ H₂O + CO₂↑.

2. Гемоглобиновая буферная система — обеспечивает около 35% буферной емкости цельной крови (оксигемоглобин HHbO₂ — более сильная кислота, чем дезоксигемоглобин HHb).

3. Фосфатная буферная система (H₂PO₄⁻ / HPO₄²⁻) — основной внутриклеточный буфер, поддерживающий pH цитоплазмы и канальцев почек (pH ≈ 6.8–7.2).

4. Белковая буферная система (амфотерные белки плазмы).

Расчет равновесия в буферных растворах:

Медико-биологические вопросы ЕНТ по буферам:

1. Гидрокарбонатная буферная система крови (H₂CO₃ / HCO₃⁻):

Поддерживает строго постоянный физиологический pH артериальной крови в узком диапазоне 7.35-7.45.

• При избытке кислот (H⁺): HCO₃⁻ + H⁺ → H₂CO₃ → CO₂↑ (удаляется легкими при дыхании);

• При избытке оснований (OH⁻): H₂CO₃ + OH⁻ → HCO₃⁻ + H₂O (избыток гидрокарбоната выводится почками).

2. Ацидоз и алкалоз:

Смещение pH крови ниже 7.35 называется ацидозом, выше 7.45 — алкалозом. Сдвиг pH крови более чем на 0.4 единицы несовместим с жизнью!