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

Лекция №1
Лектор:
кандидат химических наук, доцент
Иванова Надежда Семёновна
Протолитическая теория кислот и оснований. Протолитическое равновесие.
Буферные растворы

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).

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

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

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

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

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

Дополнительная литература
Глинка Н.Л.
Общая химия
Издательство: любое

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

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

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

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

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

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).

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

Кислоты и основания Б-Л
Кислота − протон-донорное вещество.
Основание − протон-акцепторное вещество.
Из этого можно записать соотношение:
Кислоту и основание, связанные приведённым соотношением, называют сопряжённой кислотно-основной парой:

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

СН3СОО−
Типы кислот и оснований Б-Л
СН3СООН
NH3
NH4+
SO42−
HSO4−

Типы протолитических реакций
Для сопряжённой кисл.−осн. пары Ka ⋅ Kb =10−14 ⇒ чем сильнее кислота в паре, тем слабее основание и наоборот.

Физиологические механизмы поддержания рН крови
Реагируют на изменение рН через 2 – 3 суток
Реагируют на изменение рН через 10 – 18 часов

Физико-химические механизмы поддержания рН крови
Буферное действие проявляется практически мгновенно (10 – 15 мин).
Ионный обмен.
Диффузия.
нейтрофил
эозинофил
базофил
моноцит
лимфоцит
гранулоциты
агранулоциты

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.

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

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

Расчёт рН буферных систем.
Уравнение Гендерсона – Гассельбаха
кислая буферная система
основная буферная система

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

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

При добавлении HCl
СН3СООН
СН3СОО– + Н+ ↔ СН3СООН
HCl заменяется эквивалентным количеством СН3СООН, что приводит к незначительному уменьшению рН буфера.
При добавлении NaOH
СН3СОО–
СН3СООН + OН- ↔ СН3СОО– + H2O
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.
Механизм действия буферной системы

Механизм действия бикарбонатного буфера

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.

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.

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

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

Совмещённые протолитические равновесия …
… в буферной системе имеют место при одновременном присутствии в ней нескольких буферных систем.
Условия совмещённого равновесия:
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).
НА
МеА
НВ
МеВ

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