Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
__________________________________________________________________
Институт сельского хозяйства и природных ресурсов
Кафедра фундаментальной и прикладной химии
БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ
Методические указания к лабораторной работе
Великий Новгород
2013
Буферные растворы : Методические указания к лабораторной работе / Составители: , - Великий Новгород, НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2013 г. - 13 стр.
В методических указаниях рассмотрены основные вопросы по теме «Буферные растворы». На примере ацетатного буферного раствора изучается механизм буферного действия; рассматривается зависимость значения рН и буферной емкости от разбавления.
Методические указания предназначены для студентов специальностей медико-биологического профиля.
CОДЕРЖАНИЕ
Введение | 4 |
1Цель работы | 4 |
2 Основные теоретические положения | 4 |
3 Требования техники безопасности | 7 |
4 Экспериментальная часть | 8 |
4.1 Зависимость рН буферных растворов от соотношения концентраций составляющих их компонентов и от разведения | 8 |
4.2 Установление зависимости буферной ёмкости раствора от разбавления | 9 |
4.3 Влияние добавления небольших количеств сильных кислот и оснований на рН буферного и физиологического растворов | 10 |
5 Требования к содержанию отчета | 11 |
6 Вопросы и задания для самоконтроля | 11 |
Литература | 13 |
ВВЕДЕНИЕ
Концентрация водородных ионов играет большую, часто определяющую, роль в самых различных явлениях и процессах – и в природе, и в технике. Многие производственные процессы в химической, пищевой, текстильной и других отраслях промышленности протекают лишь при определенной реакции среды (рН).
Особенно велика роль рН в жизнедеятельности растений и животных. Наш организм нормально функционирует только тогда, когда и в крови, и в тканевой жидкости различных органов поддерживается определенное соотношение ионов Н+ и ОН - (допустимы незначительные колебания). Лишь при этом условии идут в организме сложнейшие процессы белкового, углеводного, жирового обмена. Достаточно сказать, что сдвиг рН крови больше чем на 0,4 оказывается гибельным для организма. А ведь с пищей в организм человека вводятся ионы Н+ и ОН - в самых различных соотношениях. Но в нашем организме имеются многочисленные регуляторные системы, которые поддерживают на определенном уровне рН крови и тканей даже при очень резких изменениях характера пищи. Это буферные растворы. С помощью специально приготовленных буферных растворов регулируют и рН химических процессов в лаборатории и на производстве.
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.Научиться готовить буферный раствор и выяснить, как соотношение концентраций компонентов, составляющих буферный раствор, влияет на его рН.
2.Выяснить, как зависит рН буферного раствора от разбавления его водой.
3. Выяснить, как зависит буферная емкость раствора от разбавления его водой.
4.Экспериментально подтвердить механизм буферного действия и выяснить обладает ли физиологический раствор буферным действием.
2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Буферным является раствор, содержащий протолитическую равновесную систему, способную поддерживать практически постоянное значение рН при разбавлении или при добавлении небольшого количества кислоты или щелочи. Согласно протолитической теория кислот и оснований любая частица способная отдавать ион водорода (донор протона) называется кислотой. Различают кислоты: -нейтральные HCl, CH3COOH; -анионные HCO3 -=H + + CO3 2-; -катионные NH4 +=H++NH3.
Любая частица способная принимать ион водорода (акцептор протона) называется основанием: NH3+ H+=NH4+ (NH3 в качестве основания); HCO3- + H+=H2CO3 (HCO3 в качестве основания). Две частицы отличающиеся друг от друга на один ион водорода называются сопряженной протолитической парой. Например, HCOOH сопряженная кислота и HCOO - сопряженное основание муравьиной кислоты; H3O+ сопряженная кислота и H2O сопряженное основание. Протолитическая буферная система состоит из слабой кислоты и избытка сопряженного с ней основания; слабого основания и избытка сопряженной с ней кислоты; двух анионов одной кислоты, отличающихся на 1Н+ или водный раствор амфолита, например аминокислоты. Для биологических систем огромная роль принадлежит аминокислотам. Исходя из состава аминокислот и способности к диссоциации аминокислоты являются амфолитами (амфотерные электролиты). Кислотные свойства этих веществ обусловлены наличием в них карбоксильных групп СООН, а основные свойства — содержанием аминогрупп NH2. Примером буферной системы служит смесь растворов уксусной кислоты CH3COOH и её натриевой соли CH3COONa (ацетатный буфер). Эта соль как сильный электролит диссоциирует практически нацело, т. е. в растворе образуется много ионов CH3COO - . Диссоциация уксусной кислоты в этом растворе практически отсутствует из-за наличия одноименного иона.
Поскольку концентрация ацетат-иона, акцептора протона, определяется концентрацией соли, то в соответствии с уравнением Гендерсона-Хассельбаха рН кислотной буферной системы зависит от показателя константы диссоциации слабой кислоты рКа (табличное значение) и отношения концентраций акцептора протонов (соли) и донора протонов (кислоты) в растворе:
рН = рКа + lg C(соли)/С(сопр. кислоты);
или для любых буферных растворов : рН = рКа + lg C(акцептор)/С(донор)
Рассмотрим механизм буферного действия на примере ацетатного буфера. При добавлении к буферной системе сильной кислоты, дающей много ионов Н+, эти ионы связываются ионами CH3COO - и образуют слабую (то есть мало диссоциирующую) уксусную кислоту: Наоборот, при подщелачивании буферной системы, то есть при добавлении сильного основания (например, NaOH), ионы OH-, взаимодействуя с уксусной кислотой, образуют очень слабый электролит — молекулу воды. Таким образом, в обоих случаях идет связывание добавляемых ионов Н+ или OH-в слабые электролиты, т. е. рН буферного раствора практически не меняется. Защитные свойства буферных растворов по отношению к действию кислот и щелочей будут сохраняться до тех пор, пока концентрации компонентов буферных систем, связывающих Н+ или OH - , будут больше концентрации добавляемых ионов:
С(Н+ ) добавл < [акцептор протона] и С(ОН - ) добавл < [донор протона]
Установлено, что достаточное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию другого не более чем в 10раз:
0,1 < [акцептор протона] <10 , т. е. рН = рКа± 1 [донор протона]
Диапозон pH, в котором действует данная буферная система, называют зоной буферного действия: от значения рН1 = рКа-1 до рН2 = рКа+1.
Например:
- для ацетатного буфера рКа=4,76, тогда зона буферного действия: рН от 3,76 до 5,76);
- для аммиачного буфера рКа=9,21, тогда зона буферного действия: рН от 8,21 до рН 10,21.
Протолитические буферные растворы способны поддерживать значение рН среды на определенном уровне только при добавлении небольших количеств кислоты или щелочи.
Максимальное количество моль-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которое можно добавить к 1литру буферного раствора, приводящее к изменению рН до граничных значений зоны буферного действия, называется буферной емкостью (В).
Различают буферную емкость по кислоте Ва – добавление сильной кислоты, при этом изменение pH происходит до нижней границы (рКа-1) и
буферную емкость по основанию Вв–добавление щелочи, при этом изменение pH происходит до верхней границы (рКа+1).
Буферная емкость зависит от концентраций компонентов в буферном растворе и их отношения. Чем выше концентрация компонентов, тем больше буферная емкость. Кислотно-основное состояние является одним из важнейших показателей гомеостаза - постоянства внутренней среды организма. В силу своей общей распространённости и скудности серьёзных симптомов незначительных отклонений, нарушения кислотно-основного равновесия часто пропускаются и выявляются лишь специалистами-реаниматологами в далеко зашедших случаях, когда ситуация приближается к критической. Понижение рН крови называют ацидозом, а повышение рН называют алкалозом. Гомеостаз организма поддерживается взаимодействием ряда буферных систем. Количественное обеспечение буферных емкостей в поддержании щелочно-кислотного равновесия распределяется следующим образом: гемоглобиновая буферная система — 73-76%, бикарбонатная буферная система 12-27%, протеиновая система — 2- 5%, фосфатная буферная система — 1-2%.
3 ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении работы следует выполнять общие правила работы в химической лаборатории. При отборе кислоты мерными пипетками пользуйтесь грушами! Избегайте попадания растворов кислоты или щелочи на руки и одежду. При необходимости смывайте растворы большим количеством воды и нейтрализуйте раствором слабой кислоты или щелочи.
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
4.1 Зависимость рН буферных растворов от соотношения концентраций составляющих их компонентов и от разведения
Ход работы:
1.Рассчитывают, какие объемы исходных растворов требуются для приготовления буферных растворов объемом по 10мл с соотношением концентраций соли и кислоты: пробирка №1 – 1:9; пробирка №2 – 5:5;
пробирка №3 – 9:1
2.Приготовить буферные растворы объемом 10мл, смешивая 0,1н растворы CH3COONa и CH3COOH в расчитанных соотношениях.
Точные объемы растворов ацетата натрия и уксусной кислоты отмеривают в пробирку из бюреток; содержимое пробирки тщательно перемешивают, закрыв пробирку резиновой пробкой.
3.Приготовить разбавленные растворы с тем же соотношением сопряженных компонентов. Для этого: в пустую пробирку (№4) из бюретки отмеривают 8 мл дистиллированной воды и добавляют 1 мл приготовленного ранее буферного раствора из пробирки №1, используя пипетку. Аналогично, взяв пустую пробирку (№5) отмеривают в нее 8 мл дистиллированной воды и добавляют 1 мл раствора из пробирки №2, в пустую пробирку №6 отмеривают 8 мл дистиллированной воды и добавляют 1 мл раствора из пробирки №3.
4. В каждую из шести приготовленных пробирок добавить по 5 капель индикатора метилового оранжевого, перемешать легким постукиванием по пробирке. Записать цвета растворов в таблицу1.
5.Сравнить между собой цвета в пробирках №1,2,3 и №4,5,6. Сделать вывод: зависит ли рН буферного раствора от соотношения компонентов?
6.Сравнить между собой цвета в пробирках №1 и 4; №2 и 5; №3 и 6. Сделать вывод: зависит ли рН буферного раствора от разбавления?
7.Для обоснования полученных результатов, рассчитать рН для шести приготовленных растворов (все расчеты привести).
Для расчета используют уравнение Гендерсона - Гассельбаха, принимая во внимание, что в данной буферной системе ацетат-ион, концентрация которого численно равна концентрации ацетата натрия, является основанием, сопряженным уксусной кислоте. pKa(CH3COOH) = 4,76 (находят в справочнике).
Приготовленные растворы в пробирках №1 и №4 использовать для опыта 4.2.
Таблица 1. Зависимость рН буферных растворов от соотношения концентраций составляющих их компонентов и от разведения.
№ пробирки с исходным буферным раствором | 1 | 2 | 3 |
С (CH3COONa) : C (CH3COOH) | 1:9 | 5:5 | 9:1 |
Цвет буферного раствора после добавления индикатора | |||
Значение рН буферного раствора, измеренное на рН - метре | |||
Расчётное значение рН буферного раствора | |||
№ пробирки с разбавленным буферным раствором | 4 | 5 | 6 |
С (CH3COONa) : C (CH3COOH) | 1:9 | 5:5 | 9:1 |
Цвет буферного раствора после добавления индикатора | |||
Значение рН буферного раствора, измеренное на рН - метре | |||
Расчётное значение рН буферного раствора |
4.2 Установление зависимости буферной ёмкости раствора от разбавления
Ход работы:
Для эксперимента используем приготовленные в опыте 4.1 пробирки №1 и №4.
К растворам в обеих пробирках добавляют по 5 капель раствора гидроксида натрия с концентрацией 0,1 моль/л. Растворы перемешивают, наблюдаемую окраску записывают в таблицу 2.
Таблица 2.Зависимость буферной емкости раствора от его разбавления
№ пробирки | Объект исследования | Окраска раствора после добавления метилового оранжевого | Окраска раствора после добавления 5 капель NaOH, См = 0.1 моль/л |
1 | Исходный буферный раствор | ||
4 | Разбавленный буферный раствор |
4.3 Влияние добавления небольших количеств сильных кислот и оснований на рН буферного и физиологического растворов
Ход работы:
Для эксперимента потребуются 4 пробирки. Приготовить исходные растворы:
- в пробирках №1 и №2 приготовить буферный раствор с соотношением концентраций CH3COONa и CH3COOH равным 2:3 соответственно. Для этого в каждую пробирку отмеривают из бюреток по 4 мл CH3COONa и по 6 мл CH3COOH;
- в пробирки №3 и №4 отмеривают мерной пробиркой по 10 мл физиологического раствора (0,9%-ный раствор хлорида натрия).
Эксперимент проводится параллельно в двух пробирках: одна пробирка с буферным раствором и другая пробирка – с физраствором. Для выяснения влияния добавления сильной кислоты приготовить два раствора:
Пробирки №1 и №3:
-добавить по 5 капель индикатора метиловый оранжевый, окраску полученного раствора записать в таблицу 3;
-если растворы в пробирках отличаются по цвету, то в физиологический раствор (пробирка №3) добавить по каплям разбавленный (0,01н) раствор HCl до выравнивания цвета с раствором в пробирке №1;
После выравнивания окрасок растворов, т. е. достижения одинакового значения рН, провести основное действие: в обе пробирки добавить по 5 капель 0,1Н HCl. Окраски растворов внести в таблицу 3.
На основания получившихся окрасок сделать вывод о влиянии добавления небольшого количества сильной кислоты на рН буферного и физиологического растворов.
Аналогичные действия провести с двумя другими пробирками, но используется другой индикатор и исследуется влияние щелочи.
Пробирки №2 и №4:
-добавить по 5 капель индикатора метиловый красный, окраску полученного раствора записать в таблицу 3;
-если растворы в пробирках отличаются по цвету, то в физиологический раствор (пробирка №4) добавить по каплям разбавленный (0,01н) раствор HCl до выравнивания цвета с раствором в пробирке №2;
- в обе пробирки добавить по 5 капель 0,1Н NaOH. Окраски растворов внести в таблицу 3.
На основания получившихся окрасок сделать вывод о влиянии добавления небольшого количества сильного основания на рН буферного и физиологического растворов.
Таблица 3. Влияние добавления небольших количеств сильных кислот и оснований.
№ про-бирки | Объект изучения | Окраска раствора после добавления индикатора | Окраска раствора после добавле-ния HCL0,01 моль/л | Окраска раствора после добавле-ния 5 капель HCL 0,1 моль/л | Окраска раствора после добавле-ния 5 капель NaOH 0,1 моль/л |
Метил-оранж | Метил - красный | ||||
1 | Буферный раствор | _________ | ________ | ________ | |
2 | Буферный раствор | _________ | ________ | ________ | |
3 | Физиологический раствор | _________ | ________ | ||
4 | Физиологический раствор | _________ | ________ |
Примечание: в ячейках таблицы с прочерками записи не делать.
5 ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА
Отчет о работе должен содержать:
расчет объемов исходных растворов опыта 4.1; расчет значений рН для 6 растворов опыта 4.1; уравнения реакций, подтверждающих механизм буферного действия при добавлении щелочи и кислоты; теоретический расчет буферной емкости по кислоте и основанию для буферного раствора опыта 4.3; выводы.
6 ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Дайте определение понятию буферная система
2. В чем заключается буферное действие?
3. Приведите примеры буферных систем, имеющих рН >7 и рН<7.
Укажите сопряженные протолитические пары.
4. Какие существуют способы приготовления буферных растворов?
5. Приведите три способа приготовления фосфатного буфера, содержащего
дигидрофосфат - и гидрофосфат-ионы.
6. Какие из перечисленных веществ и в каких сочетаниях можно взять для приготовления буферных растворов: аммиак, уксусная кислота, соляная кислота, гидроксид калия, дигидрофосфат натрия, гидрофосфат калия. Какие условия должны при этом выполняться?
7. От каких факторов зависит рН буферного раствора? Уравнение для расчета рН буферного раствора.
8. Разберите на примере гидрофосфатного буфера механизм его действия при добавлении небольших количеств НСl и КОН.
9. Разберите на примере аммиачного буфера механизм его действия при добавлении небольших количеств НNO3 и NaОН.
10. Уравнения для расчета рН буферного раствора при добавлении небольших количеств сильной кислоты или сильного основания.
11. Что называется зоной буферного действия?
12. Дайте определение понятиям: буферная емкость по кислоте; буферная емкость по основанию.
13. От каких факторов зависит буферная емкость раствора?
14. Как изменяются рН и буферная емкость раствора при его разведении?
15. Как экспериментально определяют буферную емкость?
16. Как теоретически можно определить буферную емкость?
17. Как можно оценить соотношение между буферной емкостью по кислоте и буферной емкостью по основанию?
18. Перечислите наиболее важные буферные системы организма, укажите компоненты, которые их составляют.
19. Покажите на конкретном примере взаимодействие гемоглобиновой и гидрокарбонатной буферных систем в условиях организма.
20. Объясните, почему большинство буферных систем организма имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию.
21. Патологические явления: ацидоз и алкалоз.
22. Будут ли обладать буферным действием растворы, полученные смешением растворов:
а) NaH2PO4 (V = 10 мл, С=0,1 моль/л) и Na2HPO4 (V=15 мл, С=0,07 моль/л);
б) NaH2PO4 (V = 12 мл, С=0,06 моль/л) и NaOH (V=10 мл, С=0,07 моль/л);
в) NH3·H2O (V = 10 мл, С=0,1 моль/л) и NH4Cl (V=20 мл, С=0,05 моль/л);
г) NH3·H2O (V = 15 мл, С=0,05 моль/л) и HCl (V=10 мл, С=0,1 моль/л):
д) HСООNa (V = 10 мл, С=0,1 моль/л) и HCl (V=5 мл, С=0,05 моль/л);
е) HCOONa (V = 10 мл, С=0,1 моль/л) и HCOOH (V=5 мл, С=0,01 моль/л).
Для случаев, где буферный раствор образуется рассчитать рН раствора.
23. Карбонатный буфер (рКа=10,33) приготовлен с рН=10,85. Укажите по кислоте или по основанию буферная емкость данного раствора больше. Ответ обоснуйте. Напишите сопряженную кислоту и основание.
24. Гидрокарбонатный буфер (рКа= 6,37) приготовлен с рН= 5,85. Укажите по кислоте или по основанию буферная емкость данного раствора больше. Ответ обоснуйте. Напишите сопряженную кислоту и основание.
Литература
1. . Химия: Основы химии живого. СПб.: Химиздат, 2000-2005
2., , . Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. М.:Высшая школа, 1992-2005
3. . Химия. М.: Медицина, 1995 – 2006
4. . Введение в бионеорганическую и биофизическую химию. М.: Высшая школа,1989
5. Учебно-методическое пособие по общей химии для студентов лечебных и медико-профилактического факультетов. Часть 2. Москва.: ММА им. . 1993.
6. Суворов, и задачи по общей химии: Учеб. пособие для вузов / А. В. Суворов, А. Б. Никольский. - СПб.: Химиздат, 2002. – 304 с.
