Кіріспе

Әлсіз қышқыл мен оның конугат негізінің сулы ерітіндісі. Буферлік ерітінді – бұл рН-ның сұйытылғанда немесе тұрақты температурада қышқыл немесе негіз қосылғанда едәуір өзгермейтін ерітінді. Оған аз мөлшерде күшті қышқыл немесе негіз қосылғанда оның рН-і өте аз өзгереді. Буферлік ерітінділер химиялық қолданулардың кең ауқымында рН-ды шамалы тұрақты деңгейде ұстау үшін қолданылады. Табиғатта рН-ды реттеу үшін буферлеуді пайдаланатын көптеген тірі жүйелер бар. Мысалы, бикарбонат буферлік жүйесі қанның рН-ын реттеу үшін қолданылады, ал бикарбонат мұхит суында да буферлік рөл атқарады.

Буферлік сыйымдылық

Буферлік сыйымдылық – бұл буферлік агенті бар ерітіндідегі pH өзгерісіне қарсы тұрудың сандық өлшемі, яғни қышқыл немесе сілті концентрациясы өзгерген кездегі pH өзгерісіне төзімділік. Оны былай анықтауға болады:

мұнда [H+] – сутегі иондарының концентрациясы, ал – қосылған қышқылдың жалпы концентрациясы. Kw – судың өзін-өзі иондануының тепе-теңдік константасы, ол 1,0-қа тең. Ерітіндіде H+ гидроний ионы H3O+ түрінде болады, ал гидроний ионының одан әрі гидратациясы диссоциация тепе-теңдігіне шұғылалы әсер етпейді, бірақ қышқылдың өте жоғары концентрациясында болмаса. Бұл теңдеу буферлік сыйымдылығы жоғары үш аймақ бар екенін көрсетеді (2-суретті қараңыз). Иілгіштің орталық аймағында (суретте жасыл түспен көрсетілген), екінші мүше басым, ал буферлік сыйымдылық pH = pKa кезінде жергілікті максимумға жетеді. Бұл шыңның биіктігі pKa мәніне байланысты. Буферлік сыйымдылық буферлік агенттің концентрациясы [HA] өте аз болғанда елеусіз болады және буферлік агенттің концентрациясы артқан сайын артады. Қатты қышқыл ерітінділерде, pH шамамен 2-ден төмен болғанда (суретте қызыл түспен көрсетілген), теңдеудегі бірінші мүше басым, ал буферлік сыйымдылық pH төмендеген сайын экспоненциалды түрде өседі: Бұл екінші және үшінші мүшелердің өте төмен pH-та елеусіз болуына байланысты. Бұл мүше буферлік агенттің болуына немесе болмауына тәуелсіз. Қатты сілтілік ерітінділерде, pH шамамен 12-ден жоғары болғанда (суретте көк түспен көрсетілген), теңдеудегі үшінші мүше басым, ал буферлік сыйымдылық pH-тың өсуімен экспоненциалды түрде өседі: Бұл бірінші және екінші мүшелердің өте жоғары pH-та елеусіз болуына байланысты. Бұл мүше де буферлік агенттің болуына немесе болмауына тәуелсіз.

Буферлерді қолдану

Буферлік агенті бар ерітіндінің pH-ы, ерітіндіде басқа заттардың болуына қарамастан, тар диапазон ішінде ғана өзгере алады. Биологиялық жүйелерде ферменттердің дұрыс жұмыс істеуі үшін бұл қажетті шарт. Мысалы, адам қанында плазма фракциясында көмір қышқылы (HCO₃) және бикарбонат (HCO₃⁻) қоспасы болады; бұл қанның pH-ын 7,35 пен 7,45 аралығында сақтаудың басты механизмін құрайды. Бұл тар диапазоннан тыс (7,40 ± 0,05 pH бірлігі) ацидоз және алкалоз метаболикалық жағдайлары жылдам дамиды, егер буферлік қабілеті уақтылы қалпына келтірілмесе, соңында өлімге алып келеді. Егер ерітіндінің pH мәні тым көтерілсе немесе түсіп кетсе, ферменттің тиімділігі азаяды, бұл процесс денатурация деп аталады, ол көбінесе қайтымсыз болады. Зерттеулерде қолданылатын көптеген биологиялық үлгілер буферлік ерітіндіде, көбінесе фосфат буферленген физиологиялық тұзды ерітіндіде (PBS) pH 7,4-те сақталады. Өнеркәсіпте буферлік агенттер ашыту процестерінде және маталарды бояуға арналған бояулар үшін қажетті жағдайларды орнатуда қолданылады. Олар сондай-ақ химиялық талдау және pH-метрлерді калибрлеуде пайдаланылады.

Биологияда қолданылатын жалпы буферлік қосылыстар

Тиімді диапазон үшін жоғарыда көрсетілген Буферлік сыйымдылықты қараңыз. Сондай-ақ, Good's буферлерін қараңыз, бұл буферлік заттардың тарихи жобалау принциптері мен биохимиялық қолданбалардағы тиімді қасиеттері. Жалпы атауы (химиялық атауы) Құрылымы pKa, 25 °C Температура. (Температура) әсері, (K−1) Моль. массасы TAPS, ([tris(гидроксиметил)метиламино]пропансульфоникалық қышқылы) 8.43 −0.018 243.3 Bicine, (2 (бис(2 гидроксиэтил)амино)уксус қышқылы) 8.35 −0.018 163.2 Tris, (tris(гидроксиметил)аминометан, немесе 2 амино 2 (гидроксиметил)пропан-1,3-диол) 8.07 −0.028 121.14 Tricine, (N [tris(гидроксиметил)метил]глицин) 8.05 −0.021 179.2 TAPSO, (3 [N tris(гидроксиметил)метиламино] 2 гидроксипропансульфоникалық қышқылы) 7.635 259.3 HEPES, (4 (2 гидроксиэтил) 1 пиперазинэтаносульфоникалық қышқылы) 7.48 −0.014 238.3 TES, (2 [[1,3 дигидрокси 2 (гидроксиметил)пропан-2-ил]амино]этаносульфоникалық қышқылы) 7.40 −0.020 229.20 MOPS, (3 (N морфолино)пропансульфоникалық қышқылы) 7.20 −0.015 209.3 PIPES, (пиперазин N,N′ бис(2 этаносульфоникалық қышқылы)) 6.76 −0.008 302.4 Cacodylate, (диметилмышьяқ қышқылы) 6.27 138.0 MES, (2 (N морфолино)этаносульфоникалық қышқылы) 6.15 −0.011 195.2