Определение буферных систем и их классификация

Буферные растворы

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.

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

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

NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄	(H₂PO₄^–	/	HPO₄²^–
	слабая кислота		сопряженное основание

Na₂HPO₄ + Na₃PO₄	(HPO₄²^–	/	PO₄³^–
	слабая кислота		сопряженное основание

Следует отметить, что не только смеси, но и растворы некоторых индивидуальных солей (например: тетрабората натрия (Na₂B₄O₇), карбоната аммония ((NH₄)₂CO₃) и др.) тоже обладают буферными свойствами, которые объясняются сильным гидролизом этих солей и образованием вследствие этого компонентов, необходимых для буферного действия:

(NH₄)₂CO₃ + HOH ↔ NH₄HCO₃ + NH₄OH

Оснóвные буферные системы образованы слабым неорганическим или органическим основанием и солью этого основания с сильной кислотой. Например:

1)	NH₃ · H₂O(NH₄OH)	+	NH₄Cl	– аммиачный буфер
	слабое основание		соль

2)	C₂H₅–NH₂	+	C₂H₅NH₃Cl	– 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:

1)	NH₄⁺	/	NH₃	– аммиачный буфер
	слабая кислота		сопряженное основание

2)	C₂H₅–NH₃⁺	/	C₂H₅–NH₂	– этиламиновый буфер
	слабая кислота		сопряженное основание

Определенным буферным действием обладают также и растворы многих органических веществ, молекулы которых одновременно содержат в своем составе функциональные группы, проявляющие как слабые кислотные (СООН-группы), так и оснóвные (NH₂-группы) свойства. По своей природе данные соединения являются амфолитами. К ним относятся аминокислоты, белки, пептиды.