Практическое занятие №:8 «Протолитические равновесия и процессы. Буферные системы крови».

Общая цель:  сформировать базовые знания о механизме действия буферных систем организма, их важной роли в поддержании кислотно-основного баланса как компонента гомеостаза, ценностное отношение к полученным знаниям для последующего медицинского образования.

Сделайте записи в лабораторной тетради по плану:

    Дата Номер занятия Тема занятия Основные вопросы темы - учебные вопросы занятия

Учебные вопросы занятия:

Буферное действие  - основной механизм протолитического гомеостаза организма. Буферные растворы: определение, классификация по составу и действию. Механизм действия буферных систем. Характеристика буферных систем: Расчет pH буферных систем. Уравнение Гендерсона-Гессельбаха. Буферная емкость: определение и формула расчета. Зона буферного действия: определение, формула расчета. Буферные системы крови: гидрокарбонатная, фосфатная, гемоглобиновая, протеиновая, их состав, механизм действия, буферная емкость. Понятие о кислотно-основном состоянии организма.

6.1. Щелочной резерв крови: определение и количественная оценка.

6.2. Ацидоз, его виды.

6.3. Алкалоз, его виды.

Применение реакции нейтрализации в фармакотерапии: лекарственные средства с кислотными и основными свойствами (гидрокарбонат натрия, оксид и пероксид магния, трисамин и др.)

8.Решение задач

При отработке 1 вопроса следует ответить:

    что такое гомеостаз? одна из составляющих гомеостаза – это кислотно-основное равновесие, которое характеризуется постоянным значением pH крови = 7,4 объяснить, что такое буферное действие

При отработке 2 вопроса следует ответить:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?
    что такое буферные растворы? привести примеры буферных растворов в виде сопряженных кислотно

основных пар

    указать какие буферные растворы поддерживают pHпостоянным в кислой и щелочной части шкалы pH.

При отработке 3 вопроса следует ответить:

    объяснить механизм действия буферных растворов при добавлении кислоты или щелочи, с помощью химических реакций объяснить почему не происходит смещения pH при разведении буферных растворов?

При отработке 4 вопроса следует ответить:

    написать уравнение Гендерсона-Гассельбаха, сделать его анализ: от чего зависит pH буферного раствора? дать определение буферной емкости, как количественно она оценивается, привести формулу по которой она рассчитывается. от каких факторов зависит буферная емкость? объяснить, что такое зона буферного действия, написать формулу, указать от чего зависит зона буферного действия.

При отработке 5 вопроса следует ответить:

    перечислить буферные системы крови. написать состав всех буферных систем крови в виде сопряженных кислотно-основных пар. на примере одной из буферных систем (по выбору) покажите механизм действия. укажите буферную емкость этих систем в плазме и эритроците.

При отработке 6 вопроса, следует ответить:

    что такое щелочной резерв крови? чем он обеспечивается? факторы, влияющие на изменение щелочного резерва крови, приводящие к смещению pH крови. охарактеризовать ацидоз и алкалоз, их виды. возможная коррекция кислотно-основного равновесия.

При отработке 7 вопроса, следует ответить:

    охарактеризовать химические свойства указанных соединений. привести реакции нейтрализации с указанными соединениями.

7.Вопросы и задания для самоконтроля

1.Буферные системы, их состав, свойства, классификация. Механизм буферного действия. Буферные растворы

2.Уравнение кислых буферных систем Гендерсона-Гассельбаха, его вывод и анализ. Зона буферного действия.

3.Буферная емкость. Факторы, влияющие на величину буферной емкости.

4.Биологическая роль буферных систем. Буферные системы крови: гемоглобиновая, оксигемоглобиновая, белковая, водородкарбонатная, фосфатная, эфиры глюкозы и фосфорной кислоты различной степени замещенности.

5.Роль водородкарбонатной буферной системы в поддержании постоянства рН крови. Ацидоз. Алкалоз. Щелочной резерв крови.

Типовые задачи

Задача 1. Рассчитайте рН ацетатного буферного раствора, приготовленного из 80 мл 0,1 М раствора СН3СООН и 20 мл 0,1 М раствора  СН3СООNa. Ка (СН3СООН) = 1,74 · 10– 5.


Дано:

Решение:

С (СН3СООН) = 0,1 М

1. Находим рКкислоты:

рКкислоты = – lgКа = – lg 1,74 · 10– 5 = 4,76

Vр (СН3СООН) = 80 мл = 0,08 л

С (СН3СООNa) = 0,1 М

2. Находим рН ацетатного буферного раствора:

Vр (СН3СООNa) = 20 мл

КД (СН3СООН) = 1,74 · 10– 5

  CC · VC  0,02 · 0,1

рН = рКа + lg ----------- = 4,76 + lg -------------- = 4,16

  CК · VК  0,08 · 0,1

___________________

рН = ?

Ответ: рН = 4,16

Задача 2. Рассчитайте буферную емкость по кислоте, если при добавлении к 100 мл гидрокарбонатного буфера с рН = 6,5 10 мл раствора НСl с молярной концентрацией эквивалента С(НСl) = 0,1 моль/л изменился до 6,3.

Дано:

Решение:

C(НСl) = 0,1 моль/дм3

1. По уравнению:

V(НСl) = 10 см3

Bа = V(HCI)·С(НСl) /Vбуф. ·ДpH

Vбуф. = 100 см3

Bа = 10 · 0,1 / 100 · (6,5 – 6,3) = 0,05 моль/л

рН1 = 6,5

рН2 = 6,3

Ва = ?

Ответ:Bк = 0,05 моль/л

Ситуационная задача 1.

При обследовании пациента обнаружено, что рН плазмы крови равен 7,2. К каким заболеваниям может привести это отклонение рН от нормы и как можно ликвидировать эту патологию?

а) Приводит ли это отклонение рН к ацидозу?

б) Приводит ли это отклонение рН к алкалозу?

в) Можно ли ликвидировать это отклонение рН при приеме пациентом 0,9%раствора NaCl?

г) Можно ли ликвидировать это отклонение рН при приеме пациентом раствора NaHCO3?

д) Можно ли ликвидировать это отклонение рН при приеме пациентом раствора NH4Cl?

Решение

Снижение рН плазмы крови по сравнению с нормой (7,40) приводит к ацидозу.

Ликвидировать это снижение рН можно приемом пациентом NaHCO3,так как эта соль дает при гидролизе щелочную реакцию среды.

Нельзя применять 0,9% раствор NaCl, имеющий нейтральную реакцию и растворNH4Cl, дающий при гидролизе кислую реакцию среды.

Ситуационная задача 2.

При нахождении дома у человека возникла изжога, связанная с повышенной кислотностью. В его распоряжении имелись следующие препараты: оксид магния MgO, хлорид аммонияNH4Cl, питьевая содаNaНCO3 ,хлорид кальцияCaCl2 и глауберова сольNa2SO410H⋅2O. Какой из препаратов предпочтительнее использовать для ликвидации изжоги?

а) Оксид магния MgO.

б) Хлорид аммония NH4Cl.

в) Питьевая сода NaНCO3.

г) Хлорид кальция CaCl2.

д) Глауберова соль Na2SO410H⋅2O.

Решение

Для ликвидации изжоги можно использовать MgOиNaНCO3,так как они нейтрализуют повышенную кислотность желудочного сока:

2HCl + 2NaHCO3= 2NaCl + CO2+ H↑2O

2HCl + MgO = MgCl2+ H2O

Однако, оксид магния имеет преимущество перед NaHCO3,так как при взаимодействии MgOс кислотой не выделяетсяCO2,то есть не наблюдается гиперсекреция. NH4Cl, Na2SO4 ·10H2O и CaCl2 нельзя использовать, так как водные растворы этих солей имеют соответственно кислую и нейтральную реакцию среды и не могут нейтрализовать избытокHClв организме.


Тестовые задания для самоконтроля

Выберите правильный вариант ответа

Буферными свойствами обладают сопряженные кислотно - основные пары: а) HCOO-/HCOOH; б)CH3COO-/CH3COOH;

в) Cl-/HCl; г)HCO-3/CO2; д)HPO42-/H2PO-4;

1)все;  2)а, б,г, д;  3)б, г,д;  4)б, г.

При добавлении HCl в буферной системе NH+4/NH3 ∙H2O:

1)активная концентрация NH+4 уменьшается, NH3 ∙ H2O – увеличивается.

2) активная концентрация NH+4 увеличивается, NH3 ∙H2O -  уменьшается.

3)активность компонентов не изменяются. 

Фосфатная буферная система содержит в организме кислотно-основные сопряженные пары:

1) H3PO4 – кислота, H2PO4- - сопряженное основание;

2) H2PO4- – кислота, HPO2-4 - сопряженное основание;

3) HPO2-4 – кислота, PO3-4 - сопряженное основание;

4) H3PO4 – кислота, PO3-4 - сопряженное основание;

При физиологическом значении pH соотношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [HCO3-]/[CO2] =18:1. Следовательно, буферная емкость этой системы по кислоте в сравнении с буферной емкостью по основанию:

1)больше;  2)меньше;  3)их значения равны.

Увеличение щелочных продуктов метаболизма концентрацию CO2 в плазме крови:

1)увеличивает;  2)уменьшает;  3)не изменяет.

Концентрации ионов водорода в плазме крови можно рассчитать по уравнению

1) pH = pKa ± 1;

2) pH = pKa + lgсопр. основ/кислота;

3) pH = pKa + lg HCO3- / p ∙ S CO2

4) pH = 14 – pOH

Респираторный ацидоз связан

1) с гипервентиляцией легких;

2) с гиповентиляциейлегких;

3) с возбуждением дыхательного центра;

4) с повышением конентрацииHCO3-.

Приготовить буферный раствор с pH = 7,4 можно на основании системы:

1) H3PO4/KH2PO4;

2) HCl/KCl;

3) KH2PO4/K2HPO4;

4) NH4OH/NH4Cl.

Роль кислот  в составе буферных систем могут выполнять частицы

1) H2PO4-, NH4+;

2) PO43-, CaOH+;

3) H3PO4, Al3+;

4) CH3COOH, Al(OH)2+.

Самые мощные буферные системы в составе эритроцитов:

1) ацетатная и белковая;

2) гемоглобиновая и аммиачная;

3) гидрокарбонатная и гемоглобиновая;

4) фосфатная и ацетатная.

Дополните высказывание

  11. Способность буферных систем сохранять постоянство  водородного показателя среды называется ___________________.

  12. Водородный показатель среды буферного раствора зависит от природы компонентов буфера, температуры и величины____________.

Ключ к тестовому заданию

№ вопроса

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Ответ

2

2

2

1

2

3

2

3

1

3

буфер-ное дейст-вие

буферного соотношения

Задачи для самостоятельного решения

  13  .Рассчитать рН для пяти буферных систем, состоящих из уксусной кислоты и ацетата натрия, учитывая, что С(СН3СООН) = С (СН3СООNa) = 0,1 моль/л, а соотношение объемов буферных компонентов [соль]/[кислота] составляет: 1/9; 3/7; 5/5; 7/3; 9/1.

Ка (СН3СООН) = 1,74 · 10– 5. Ответ: 3,81; 4,39; 4,76; 5,13; 5,71

  14. Рассчитать рН буферного раствора, состоящего из 80 мл раствора NaH2PO4 с концентрацией равной 0,12 моль/л и 30 мл раствора Na2HPO4 с концентрацией 0,14 моль/л. Ка (Н2РО4–) = 6,2 · 10– 8. Ответ: . 6,84

  15. К 10 мл сыворотки крови с рН = 7,34 прибавили 1 мл раствора хлороводородной кислоты с С(НСl) = 0,05 моль/л, что привело к снижению рН до 7,29. Определить буферную емкость крови по кислоте. Ответ: 0,1 моль/дм-3

Лабораторное занятие Расчёт количественных характеристик буферных

Цель: определить способность буферных растворов сохранять рН при добавлении кислот и щелочей, а также при разбавлении; экспериментально сопоставить буферную емкость сыворотки крови по кислоте и по основанию.

Учебные вопросы занятия:

1. Инструктаж по выполнению лабораторной работы

2. Выполнение лабораторной работы

2.1. «Влияние разведения на рН буферного раствора»

2.2. «Определение буферной емкости растворов»

2.3 «Влияние разбавления на буферную емкость»

2.4.«Определение буферной емкости сыворотки крови»

3.Защита лабораторной работы

Материально-техническое обеспечение занятия: учебная аудитория снабжена: справочным материалом, таблицами, мультимедийной установкой; химическое оборудование и посуда: штативы, бюретки; колбы для титрования, стаканчики для разведения; реактивы:CH3COOH, CH3COONa 0,1M растворы; раствор HCl 0,0001M с pH = 5; H2O дистиллированная; раствор NaOH 0,1 М; сыворотка крови; индикаторы: фенолфталеин, метиловый красный раствор HCl 0,1 M

Лабораторная работа № 1. «Влияние разведения на pH буферного раствора».

Ход работы

В пробирку (I)→ + 5 мл 0,1 М раствора CH3COOH

  + 5 мл 0,1 М раствора CH3COONa

10 мл буферного раствора 2 мл во II пробирку

+ 6 мл H2Oдист. → имеем две пробирки, в каждой по 8 мл раствора, но в I-ой буферный раствор неразведенный, а во II-ой буферный раствор разбавленный.

В каждую пробирку + по 2 капли метилового красного → наблюдают появление одинаковой окраски в двух пробирках и делают вывод:

Вывод:

Лабораторная работа № 2. «Определение буферной емкости растворов».

Ход работы:

В I –ую колбу + 4 мл 0,1 М раствора CH3COOH

  + 6 мл 0,1 М раствора CH3COONa

10 мл буферного раствора с pH= 5

Во II колбу + 10 мл 0,0001 М раствора HCl с pH = 5.

В обе колбы + 3 капли индикатора метилового красного → окраска растворов одинаковая.

Растворы осторожно, поочередно титруют 0,1 М раствором NaOH до появления лимонно-желтой окраски (pH = 6,3). Записывают объем затраченного на титрование раствора NaOH:

Iколба  -  мл

II колба -  мл

Рассчитывают буферную емкость растворов по формуле:

Вв = Cfщ • Vщ/ (pH1-pH0) • Vбуф. р-ра =  моль/л,

и делают вывод о буферной емкости растворов.

Вывод:

Лабораторная работа № 3. «Определение буферной емкости сыворотки крови».

Ход работы:

В I колбу 5 мл сыворотки крови (pH = 7,4) + 2 капли индикатора фенолфталеина

Во II колбу 5 мл сыворотки крови (pH = 7,4) + 2 капли индикатора метилоранжевого.

I колбу титруют раствором NaOH до появления малиновой окраски (pH = 8,4)

II колбу титруют раствором HCl до появления оранжево-розового окрашивания (pH = 3,4).

Записываем объемы (в мл) затраченных растворов NaOH и HCl:

I колба – V (NaOH)  -  мл

II колба – V (HCl) -  мл

Вычисляют буферную емкость сыворотки крови по кислоте и по щелочи:

Bв = CfHCl • VHCl/(pH0-pH1) •Vсыв. крови =  моль/л

Вв = = CfNaOH• VNaOH/(pH0-pH1) •Vсыв. крови =  моль/л

В выводе сравнивают вычисленные значения буферной емкости сыворотки крови по кислоте и по щелочи. Объясняют, почему они различные?

Вывод:

Вопросы для защиты лабораторной работы

1. Напишите кислотно-основную пару, образующую в организме гидрокарбонатный буфер?

2. Напишите реакции, характеризующие механизм действия фосфатного буфера?

3. Что такое щелочной резерв крови?

4. Какие сопряженные основания обеспечивают щелочной резерв крови?

5. Напишите формулу Гендерсона-Гассельбаха для расчетаpH крови

6. Изменяется ли pH буферного раствора при разбавлении? Дайте пояснение.

7. Каким показателем количественно оценивается щелочной резерв

8. Какое значение имеет pH крови в состоянии кислотно-основного равновесия.

9. Какие буферные системы поддерживают буферную емкость в плазме крови? Как распределяются эти буферные системы по буферной емкости?

10.Какие буферные системы поддерживают буферную емкость во внутренней среде эритроцитов?

11. На титрование 5 мл ацетатного буфера затрачено 3 мл раствора NaOH(Cf) =0,1 моль/л. Рассчитайте буферную емкость системы, если рНо = 3,  а после титрования  рН = 7,5.

12. Какие факторы влияют на величину буферной емкости? Напишите формулу расчета буферной емкости?

15.Дайте определение буферной емкости. Напишите формулу, по которой рассчитывается буферная емкость. От каких факторов зависит буферная емкость?

16. Почему в крови определяется буферная емкость и по кислоте и по щелочи?

7.Вопросы и задания для самоконтроля

1.Запишите состав следующих кислотных буферных систем: гемоглобиновой, гидрокарбонатной, фосфатной. Выделите сопряженную кислотно-основную пару для каждого раствора.

2.Выведите уравнения Гендерсона-Хассельбаха для расчета рН кислотного буферного раствора на примере гидрокарбонатного буфера. От чего зависит рН раствора?

3.Запишите состав основного буферного раствора на примере аммиачного. Выделите сопряженную кислотно-основную пару.

4.Выведите уравнения Гендерсона-Хассельбаха для расчета рН основного буферного раствора на примере аммиачного. От чего зависит рОН раствора?

5.Рассмотрите механизм буферного действия при добавлении небольших количеств сильной кислоты или щелочи в буферный раствор. Приведите уравнения реакций.

6.Как влияет разбавление на рН буферных растворов? Дайте объяснение.

7.Что называют буферной емкостью? Запишите формулу расчета меры буферной емкости.

8.От каких факторов буферная емкость?

9.Что такое титрование? Как экспериментально фиксируется точка эквивалентности?

СИТУАЦИОННАЯ ЗАДАЧА

В лаборатории имеются 0,2 моль/л и 0,02 моль/л растворы NaH2PO4 и Na2HPO4.Требуется определить буферную емкость этих растворов по кислоте и щелочи.

а) Что называется буферной емкостью по кислоте?

б) Что называется буферной емкостью по щелочи?

в) Что используется в качестве титранта и индикатора при определении буферной емкости по кислоте?

г) Что используется в качестве титранта и индикатора при определении буферной емкости по кислоте?

д) По какой формуле рассчитывается буферная емкость по кислоте и по щелочи?

Эталон решения

Буферной емкостью по кислоте называется (Вк) называется количество ммолей эквивалента кислоты, которые нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить pHна единицу.

Буферной емкостью по щелочи называется (Вщ)  называется количество ммолей эквивалента щелочи, которые нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменитьpHна единицу.

При определении Вк в качестве титранта используют кислоту, а в качестве индикатора – метилрот.

При определении Вщв качестве титранта используют щелочь, а в качестве индикатора– фенолфталеин. Ва и Вв  рассчитывают по формулам:

Bк = CfHCl • VHCl/(pH0-pH1) •Vбуф. р-ра(моль/л)

Вщ = = CfNaOH• VNaOH/(pH0-pH1) •Vбуф. Р-ра =  ( моль/л)

Задачи для самостоятельного решения

Задача. В лаборатории имеются гидрокарбонатная, фосфатная, аммонийная, ацетатная и карбонатная буферные системы. Требуется выбрать буферную систему для проведения биологического эксперимента при значенииpH= 7,4.

pKa(HCO3-) = 10,3; pKa(H2CO3) = 6,35; pKa(NH4+) = 9,25; pKa(CH3COOH) = 4,75; pKa(H2PO4-) = 7,2

а)Каков интервал буферного действия гидрокарбонатной буферной системы?

б)Каков интервал буферного действия фосфатной буферной системы?

в)Каков интервал буферного действия аммонийной буферной системы?

г)Каков интервал буферного действия ацетатной буферной системы?

д)Каков интервал буферного действия карбонатной буферной системы?

Рекомендуемая литература:

Список рекомендуемой литературы

Основная литература

1.         Общая химия [Электронный ресурс]: учеб. / , . - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 976 с. – Режим доступа:http://www. studentlibrary. ru/book/ISBN9785970415702.html

2.         Общая химия [Текст]: учеб. / , . - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. - 976 с.

Дополнительная литература

3.        Жолнин, химия [Текст] :учеб. / ; под ред. , . - М. : ГЭОТАР-Медиа,2012. - 400 с.

4.        Жолнин, химия [Электронный ресурс] :учеб. / ; под ред. , . - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2014. – 400 с. – Режим доступа: http://www. studentlibrary. ru/book/ISBN9785970429563.html