Протолитическая теория кислот и оснований. Протолитическое равновесие. Буферные растворы. Лекция 01

1.

Кто спал, когда
Бог раздавал
encephalon?!

2. Протолитическая теория кислот и оснований. Протолитическое равновесие. Буферные растворы

Лекция №1
Лектор:
кандидат химических наук, доцент
Иванова Надежда Семёновна

3. Синквейн

1я строка – существительное (дисциплина)
2я строка – 2 прилагательных (признаки и
свойства существительного)
3я строка – 3 глагола, характеризующих
существительное
4я строка – фраза из 4х слов (отношение к
существительному)
5я строка – 1 слово (резюме).

4. Основная литература

Ершов Ю.А.,
Попков В.А.
Общая химия.
Биофизическая химия.
Химия биогенных
элементов
Издательство: Высшая
школа, 2005. - 560 с.

5. Основная литература

Попков В.А.,
Пузаков С.А.
Общая химия
Издательство: ГЭОТАР-
Медиа, 2007.- 976 с.

6. Основная литература

Ленский А.С.
Биофизическая и
бионеограническая
химия
Издательство: МИА,
2008. – 416 с.
Издательство: ВШ, 1989.
– 245 с.

7. Основная литература

Пузаков С.А.
Химия
Издательство: ГЭОТАР-
Медиа, 2006.- 640 с.

8. Основная литература

Слесарев В.И.
Химия. Основы химии
живого
Издательство: Химиздат,
2009. – 784 с.

9. Дополнительная литература

Глинка Н.Л.
Общая химия
Издательство: любое

10. Дополнительная литература

Тюрина Е.Ф.,
Иванова Н.С.
Общая химия. Вопросы и
ответы
Издательство: Медицина
ДВ, 2008. - 172с.

11. Дополнительная литература

Иванова Н.С.,
Мусина С.А.
Введение в химию
биогенных элементов
Издательство: Полисфера,
2005. – 89 с.

12. Дополнительная литература

Тюрина Е.Ф.
Химия. Теоретические
основы. Вопросы. Тесты.
Задачи с решениями
Издательство: Медицина
ДВ, 2008. – 248 с.

13. Дополнительная литература

Харвуд Л.,
Мак-Кендрик Дж.,
Уайтхед Р.
Наглядная органическая
химия
Издательство: «ГОЭТАР-
Медиа», 2010г. – с.120.

14. Дополнительная литература

Сонина Г.П.
Практические умения по
биоорганической химии
Издательство: Медицина
ДВ, 2005г.

15. Введение

В
результате
метаболизма
в
организме
образуется большое количество кислот, а больше
всего Н2СО3 (до 13 моль ежедневно). Выводится
она, в основном, при дыхании в виде СО2 и Н2О,
но задержка её до 0,15 моль в организме ведёт к
нарушению кислотно – основного состояния
(КОС).

16.

Теория Бренстеда Лаури (Б-Л),
предложенная
в
определяет
основания
по
1923
г.,
кислоты
и
отношению
к
+
одному партнёру Н . Поэтому
кислоты
Йоханнес-Николаус Брёнстед
(1879-1947)
и
основания
называются протолитами;
обратимые реакции, в которых осуществляется
перенос
протонов,
протолитическими
равновесиями, а теория Б-Л протолитической
теорией.

17. Кислоты и основания Б-Л

Кислота протон-донорное вещество.
Основание протон-акцепторное вещество.
Из этого можно записать соотношение:
Кислота
Основание
Кислоту и основание, связанные приведённым
соотношением, называют сопряжённой
кислотно-основной парой:
Кислота
Основание
Сопр.
основание
Сопр.
кислота

18.

Тогда протолитическое равновесие может
быть выражено схемой:
Кислота 1
Основание 2
Сопр.
основание 1
Сопр.
кислота 2
Направление протолитического равновесия
устанавливается в результате конкуренции за
Н+ между основаниями сопряжённых
кислотно-основных пар и всегда смещается в
сторону более слабой кислоты.

19. Типы кислот и оснований Б-Л

Нейтрал. кислота
СН3СООН
Анионное основан.
СН3СОО
NH4+
Катионная кислота
NH3
Нейтрал. основан.
Анионная кислота
HSO4
Анионное основан.
SO42

20. Типы протолитических реакций

Тип
протолитичес
кого
равновесия
Ионизация слабой
кислоты
СН3СООН + Н2О
СН3СОО + Н3О+
Кравн.
Const.
кислот
ности
Ка
Ионизация слабого Const.
Основн
основания
ости
NH3 + H2O
NH4+ + OH
Kb
Выражение
Кравновесия
рН
CH COO H 1 pK
3
CH3COOH
2
1
lg
c
CH
COOH
a
3
1
NH OH 14 12 pK lg c 11 NH
4
NH3
b
3
Для сопряжённой кисл. осн. пары Ka Kb =10 14 чем сильнее
кислота в паре, тем слабее основание и наоборот.

21. Физиологические механизмы поддержания рН крови

Реагируют на изменение
рН через 10 – 18 часов
Реагируют на изменение
рН через 2 – 3 суток

22. Физико-химические механизмы поддержания рН крови

Буферное действие проявляется
практически мгновенно (10 – 15 мин).
Ионный обмен.
Диффузия.
эозинофил
нейтрофил
базофил
гранулоциты
агранулоциты
лимфоцит
моноцит

23. Буферные системы – …

… раствор, содержащий протолитическую
равновесную систему, способную поддерживать
практически постоянный рН при разбавлении
или добавлении небольших количеств кислоты
и щёлочи.
… система, состоящая из слабого протолита и
избытка сопряжённого с ним основания или
кислоты. рН буферных систем незначительно
изменяется при добавлении сильного
протолита и разбавления.

24. Состав буферных систем

Из определения в состав буферной системы
входит слабый протолит:
НА + Н2О ↔ Н3О+ + А–
кисл
с. осн
Избыток сопряжённого основания (А–)
образуется за счёт соли этой кислоты с сильным
основанием.
МеА Ме+ + А–
с. осн

25. Типы буферных систем

1. кислая буферная система: слабая кислота и
её соль с сильным основанием
СН3СООН + СН3СООNa;
2. основная буферная система: слабое
основание и его соль с сильной кислотой
NH4OH + NH4Cl.

26. Расчёт рН буферных систем. Уравнение Гендерсона – Гассельбаха

кислая буферная система
1
1
n con.bas
c sal Vsal
z
z
pH pKa lg
pKa lg
1
1
n acid
c acid Vacid
z
z
основная буферная система
pH 14 pKb lg
1
n con.acid
z
14 pKb lg
1
n bas
z
1
c sal Vsal
z
1
c bas Vbas
z

27.

Выводы
Из уравнения очевидно:
1.
рН буферной системы определяется Ка или Кb
слабого протолита:
рКа = –lgKa
pKb = –lgKb
2.
рН зависит от соотношения количеств
компонентов буферной системы.
3.
рН зависит от температуры, т.к. величины рКа
и рКb зависят от температуры.

28.

Механизм действия буферной
системы …
… и основные свойства буфера (противостоять
изменению рН при добавлении сильных протолитов и
разбавлению) заключаются в совмещении нескольких
протолитических равновесий:
HB + H2O ↔ B‒ + H3O+
кисл.
с.осн
B‒ + H2O ↔ HB + OH‒
с.осн
кисл.
Вывод: в протолитической буферной системе
имеет место совмещённое равновесие процессов
ионизации и гидролиза.

29.

Механизм действия буферной
системы
При добавлении HCl
При добавлении NaOH
СН3СООН
СН3СОО–
СН3СОО– + Н+ ↔ СН3СООН
СН3СООН + OН- ↔ СН3СОО– + H2O
HCl заменяется
эквивалентным
количеством СН3СООН,
что приводит к
незначительному
уменьшению рН буфера.
NaOH заменяется
эквивалентным количеством
СН3СООNa, что приводит к
незначительному увеличению
рН буфера.
Разбавление буферной системы до концентрации компонентов
буфера ≈ 0,01 моль/дм3 практически не влияет на рН буфера.

30. Механизм действия бикарбонатного буфера

31. Основные характеристики буферной системы

Буферная ёмкость (В, β) ‒ количество
вещества эквивалента сильного протолита Х,
которое нужно добавить к 1 дм3 буферной
системы, чтобы изменить её рН на единицу.
1 1
n x c x Vx
z z
pH
pH VБ .С .
моль дм
3

32. Факторы, влияющие на β

Концентрации компонентов буферной системы:
чем выше концентрации, тем выше β.
Соотношение концентраций компонентов
буферной системы: чем ближе к 1, тем выше β.

33. Основные характеристики буферной системы

Зона буферного действия ‒ интервал
значений рН, в котором сохраняется буферное
действие данной буферной системы.
β
Зона буферного действия
определяется по рК
слабого протолита
буферной системы.
рК ± 1
3,8
5,8
рН

34. рН биожидкостей в норме

Внутриклеточный рН
Внутри эритроцита рН ~ 7,20 – 7,30
Внеклеточный рН
Нормальный рН плазмы 7,35 – 7,45
Совместимый с жизнью рН плазмы ~ 7,00 – 7,70
рН экскретируемых жидкостей
Диапазон значений рН мочи 4,50 – 8,00

35. Совмещённые протолитические равновесия …

… в буферной системе имеют место при
одновременном присутствии в ней нескольких
буферных систем.
Условия совмещённого
равновесия:
НА
МеА
1.
НВ
МеВ
2.
3.
оба основания (А–, В–) буф.
системы связывают Н+ в
другой компонент –
кислоту;
«работает» буфер,
образующий более
прочный протолит (более
слабую кислоту);
Ка (НА) < Ка (НВ).

36. Совмещённое протолитическое равновесие

Вывод: в совмещённом
–
В
протолитическом равновесии
Н+
доминирует тот процесс, в
результате которого образуется
более прочный протолит.
А–
H2PO4–
HPO42–
Ka = 6,2 10–8
HHb
Hb–
Ка=6,31 10–9