Реферат: Кислотно-основные буферные системы и растворы

В организме угольная кислота возникает в результате гидратации диоксида углерода – продукта окисления углеводов, белков и жиров. Причем процесс этот ускоряется под действием фермента карбоангидразы:

СО₂ (р) + Н₂ О Û Н₂ СО₃

Равновесная молярная концентрация в растворе свободного диоксида углерода при 298, 15 К » в 400 раз выше, чем концентрация угольной кислоты [Н₂ СО₃ ]/ [СО₂ ] = 0, 00258.

Между СО₂ в альвеолах и водородкарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка равновесий:

2

1 + Н₂ О 3

Атмосфера Û СО₂ (г) Û СО₂ (р) Û Н₂ СО₃ Û Н⁺ + НСО₃ ^-

воздушное пространство легких - Н₂ О плазма крови

В соответствии с уравнение Гендерсона–Гассельбаха (4) рН водордкарбонатного буфера определяется отношением концентрации кислоты Н₂ СО₃ и соли NaНСО₃ .

Согласно цепочке равновесий содержание Н₂ СО₃ определяется концентрацией растворенного СО₂ , которая по пропорциональна парциальному давлению СО₂ в газовой фазе (по закону Генри): [СО₂ ]_р = К_г р(СО₂ ). В конечно счете оказывается, что с (Н₂ СО₃ ) пропорциональна р(СО₂ ).

Водородкарбонатная буферная система действует как эффективный физиологический буферный раствор вблизи рН 7,4.

При поступлении в кровь кислот – доноров Н⁺ равновесие 3 в цепочке по принципу Ле Шателе смещается влево в результате того, что ионы НСО₃ ^- связывают ионы Н⁺ в молекулы Н₂ СО₃ . При этом концентрация Н₂ СО₃ повышается, а концентрация ионов НСО₃ ^- соответственно понижается. Повышение концентрации Н₂ СО₃ , в свою очередь, приводит к смещению равновесия 2 влево. Это вызывает распад Н₂ СО₃ и увеличении концентрации СО₂ , растворенного в плазме. В результате смещается равновесие 1 влево и повышается давление СО₂ в легких. Избыток СО₂ выводится из организма.

При поступлении в кровь оснований – акцепторов Н⁺ сдвиг равновесий в цепочке происходит в обратной последовательности.

В результате описанных процессов водородкарбонатная система крови быстро приходит в равновесие с СО₂ в альвеолах и эффективно обеспечивает поддержание постоянства рН плазы крови.

Вследствие того, что концентрация NaНСО₃ в крови значительно превышает концентрацию Н₂ СО₃ , буферная емкость этой системы будет значительно выше по кислоте. Иначе говоря, водокарбонатная буферная система особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотност крови. К числу таких веществ, прежде всего, относят молочную кислоту HLac, избыток которой образуется в результате интенсивной физической нагрузки. Этот избыток нейтрализуется в следующей цепочке реакций:

NaНСО₃ + HLac ÛNaLac + Н₂ СО₃ Û Н₂ О + СО₂ (р) Û СО₂ (г)

Таким образом, эффективно поддерживается нормальное значение рН крови при слабо выраженном сдвиге рН, обусловленным ацидозом.

В замкнутых помещениях часто испытывают удушье – нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько с недостатком кислорода, сколько с избытком СО₂ . Избыток СО₂ в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО₂ в крови (согласно закону Генри), а это приводит к понижению рН крови, т. е. к ацидозу (уменьшение резервной щелочности).

Водородкарбонатная буферная система наиболее "быстро" отзывается на изменение рН крови. Ее буферная емкость по кислоте составляет В_к = 40 ммоль/л плазмы крови, а буферная емкость по щелочи значительно меньше и равна примерно В_щ = 1 – 2 ммоль/л плазмы крови.

2. Фосфатная буферная система НРО₄ ^2- /Н₂ РО₄ ^- состоит из слабой кислоты Н₂ РО₄ ^- и сопряженного основания НРО₄ ^2- . В основе ее действия лежит кислотно-основное равновесие, равновесие между гидрофофсфат- и дигидрофосфат-ионами:

НРО₄ ^2- + Н⁺ Û Н₂ РО₄ ^-

НРО₄ ^2- + Н₂ О Û Н₂ РО₄ ^- + ОН^-

Фосфатная буферная система способа сопротивляться изменению рН в интервале 6, 2 – 8, 2, т. е. обеспечивает значительную долю буферной емкости крови.

Из уравнения Гендерсона–Гассельбаха (4) для этой уферной системы следует, что в норме при рН 7, 4 отношение концентраций соли (НРО₄ ^2- ) и кислоты (Н₂ РО₄ ^- ) примерно составляет 1. 6. Это следует из равенства:

рН = 7, 4 = 7, 2 + lg	с (НРО4 2- )	, где 7, 2 = рКа (Н2 РО4 - )
	с (Н2 РО4 - )

Отсюда

lg =	с (НРО4 2- )	= 7, 4 – 7, 2 = 0, 2 и	с (НРО4 2- )	= 1, 6
	с (Н2 РО4 - )		с (Н2 РО4 - )

Фосфорная буферная система имеет более высокую емкость по кислоте, чем по щелочи. Поэтому она эффективно нейтрализует кислые метаболиты, поступающие в кровь, например молочную кислоту HLac:

НРО₄ ^2- + HLacÛ Н₂ РО₄ ^- + Lac^-

Однако различия буферной емкости данной системы по кислоте и щелочи не столь велики, как у водородкарбонатной: В_к = 1 –2 ммоль/ л; В_щ = 0, 5 ммоль/ л. Поэтому фосфатная система в нейтрализации как кислых, так и основных продуктов метаболизма. В связи с малым содержанием фосфатов в плазе крови она менее мощная, чем вородкарбонатная буферная система.

3. Буферная система оксигемоглобин-гемоглобин, на долю которой приходится около 75% буферной емкости крови, характеризующаяся равновесием между ионами гемоглобина Hb^- и самим гемоглобином HНb, являющимся очень слабой кислотой (К_{HН b} = 6, 3 ´ 10^-9 ; рК_{HН b} = 8, 2).