Bufory
Bufory

Roztwór buforowy (bufor pH) – roztwór mający właściwości utrzymywania praktycznie stałego pH pomimo rozcieńczania wodą lub dodawania niewielkich ilości mocnych kwasów lub zasad.

    roztwory słabych kwasów i ich soli z mocna zasadą
    CH3COOH + CH3COONa - – bufor octanowy

    roztwory słabych zasad i ich soli z mocnym kwasem
    NH3 H2O + NH4Cl - – bufor amonowy

    roztwory dwóch kwasów wieloprotonowych na różnym stopniu dysocjacji
    NaH2PO4 + Na2HPO4 bufor fosforanowy
    NaHCO3 + H2CO3 bufor węglanowy

Zastosowanie buforów w chemii i farmacji
  • chemia analityczna (utrzymywanie pH w trakcie analiz miareczkowych, wzorce pH) < •
  • chemia organiczna (rozdziały z wykorzystaniem chromatografii jonowymiennej) •
  • biochemia (utrzymywanie pH w reakcjach w biologii molekularnej, np. PCR) •
  • technologia postaci leku (np. badanie uwalniania leku z postaci leku)
     
źródła kwasów i zasad w organizmach
(które wymagają buforowania)
  • endogenne
    -powstające w wyniku metabolizmu: kwas węglowy, mlekowy, moczowy (produkt katabolizmu DNA i RNA), amoniak (produkt metabolizmu aminokwasów) - wydzieliny soków trawiennych: sok żołądkowy (kwas solny), sok trzustkowy (o właściwościach zasadowych)
  • egzogenne - pokarm o właściwościach kwasowych lub zasadowych - drobnoustroje (jama ustna, pochwa)
     
  • Układy buforowe in vivo czyli utrzymywanie równowagi kwasowo-zasadowej w organizmach
    Głównym czynnikiem regulującym pH organizmu jest osocze krwi, w którym działają równocześnie różne układy buforowe:
    • bufor wodorowęglanowy
    • bufor fosforanowy
    • bufor białczanowy (białko/aniony białek)
    • bufor hemoglobinianowy (obecny tylko w erytrocytach)
       
    Bufory krwi człowieka utrzymują pH w granicach: 7.35-7.45.

    Sposoby transportu CO2 do płuc
    • transport w postaci jonów HCO3 - (składnik naturalnego układu buforującego HCO3-/ H2CO3) powstających z dysocjacji kwasu węglowego powstającego podczas wiązania CO2 przez wodę przy udziale anhydrazy węglanowej (70%)
    • transport w postaci karbaminianów powstałych z CO2 i białek osocza i hemoglobiny (20%) działanie układu hemoglobinianowego sprowadza się więc do wiązania jonów H+ powstających w wyniku dysocjacji kwasu węglowego
      (tkanki)
      oraz uwalniania CO2
      (płuca)
    • - rozpuszczony na zasadzie rozpuszczalności fizycznej w osoczu i cytoplazmie erytrocytów (10%)
       
    Mechanizm działania mieszanin buforowych

    np. CH3COOH + CH3COONa

    Z punktu widzenia teorii kwasów i zasad Bronsteda i Lowry’ego bufory są mieszaniną sprzężonego kwasu i zasady.
    Kwas (np. CH3COOH) może oddać proton w reakcji z zasadą (zobojętnić ją), zasada (np. CH3COO-) może przyjść proton pochodzący od dodawanego kwasu (i zobojętnić go) CH3COOH + CH3COONa

    Kwas jest słabo zdysocjowany i odgrywa rolę donora protonów (odłączenie protonów), natomiast jony CH3COO - rolą sprzężonej z nim zasady (przyłączenie protonów). Kwas octowy jako donor protonów zabezpiecza roztwór przed zmianą pH podczas dodawania do tego roztworu zasady. Dodawana do roztworu mocna zasada łączy się z protonem oddanym przez kwas octowy

    CH3COOH + OH - → CH3COO - + H2O
    kwas zasada zasada kwas

    W wyniku tej reakcji zmniejsza się liczba jonów OH-, czyli znika mocna zasada, a zamiast niej powstaje słabsza zasada CH3COO -; pH roztworu wzrośnie więc nieznacznie. Anion octanowy CH3COO - jako akceptor protonów zabezpiecza roztwór buforowy przed zmianą pH po dodaniu do układu niewielkich ilości mocnego kwasu. Dodany do roztworu kwas, np. H3O+ , oddaje proton jonowi octanowemu. W wyniku tej reakcji zmniejsza się liczba jonów H3O+, a na miejsce mocnego kwasu powstaje słaby kwas octowy, wskutek czego pH roztworu obniża się tylko nieznacznie.

    CH3COO - + H3O+ → CH3COOH + H2O
    zasada kwas kwas zasada

    Bufor octanowy (CH3COOH + CH3COONa)
    CH3COOH + OH- → CH3COO- + H2O

    kwas octowy pełni role donora protonów i wiąże jony OH- podczas dodawania zasady

    CH3COO- + H3O+ CH3COOH + H2O

    jon octanowy (pochodzący z dysocjacji CH3COONa) jest akceptorem protonów i tworzy słabo zdysocjowany kwas

    Bufor fosforanowy (NaH2PO4 + Na2HPO4)

    H2PO4- + OH- → HPO4 - + H2O

    kwas Bronsteda

    HPO42- + H3O+ → H2PO4 2- + H2O

    zasada Bronsteda

    Pojemność buforowa – miara zdolności do buforowania (utrzymywania pH na stałym poziomie)

    Pojemność buforowa jest to stosunek ilości moli dodanego kwasu lub zasady do 1 dm3 buforu do zmiany pH, jaką wywołał dodatek tego kwasu będą zasady.

    A=Δn\Δph

    gdzie:
    A – pojemnoąć buforowa
    Δn – liczba moli dodanego mocnego kwasu lub mocnej zasady do 1dm3 roztworu buforowego
    ΔpH – zmiana pH

    Pojemność buforowa wzrasta ze stężeniem roztworu i maleje wraz z jego rozcięczeniem (ale rozcieęczenie nie zmienia pH !). Im większe ogólne stężenie składników tym większe jest buforowanie. Na zdolność buforowania ma wpływ również proporcja składników do siebie. Pojemność buforowa osiąga maksimum wtedy, gdy oba składniki są w takich samych ilościach 1:1 wtedy: [HA]=[A-]

    Wizualna obserwacja zmian pH
    – wskaźniki alkacymetryczne (wskaźniki pH, indykatory)

    Wskaźniki alkacymetryczne są słabymi kwasami lub zasadami organicznymi, których jony mają inne zabarwienie niż cząsteczki niezdysocjowane