Введение

Водный раствор слабой кислоты и её сопряжённого основания. Буферный раствор – это раствор, в котором pH не изменяется существенно при разбавлении или добавлении кислоты или основания при постоянной температуре. Его pH изменяется незначительно при добавлении небольшого количества сильной кислоты или основания. Буферные растворы используются для поддержания pH на почти постоянном уровне в широком спектре химических применений. В природе многие живые системы используют буферные системы для регуляции pH. Например, бикарбонатная буферная система используется для регуляции pH крови, а бикарбонат также выступает в роли буфера в океане.

Буферная емкость

Буферная ёмкость – это количественная мера сопротивления изменению pH раствора, содержащего буферный агент, при изменении концентрации кислоты или щёлочи. Её можно определить следующим образом:

где [H+] – концентрация ионов водорода, а Δ[H+] – общая концентрация добавленной кислоты. Kw – константа равновесия для самоионизации воды, равная 1,0. Следует отметить, что в растворе H+ существует в виде иона гидроксония H3O+, и дальнейшая гидратация иона гидроксония оказывает пренебрежимо малое влияние на равновесие диссоциации, за исключением очень высокой концентрации кислоты. Это уравнение показывает, что существует три области повышенной буферной ёмкости (см. рисунок 2). В центральной области кривой (зелёный цвет на графике) второй член является доминирующим, и буферная ёмкость достигает локального максимума при pH = pKa. Высота этого пика зависит от значения pKa. Буферная ёмкость пренебрежимо мала, когда концентрация [HA] буферного агента очень мала, и возрастает с увеличением концентрации буферного агента. Для сильно кислых растворов, pH менее примерно 2 (красный цвет на графике), первый член в уравнении доминирует, и буферная ёмкость экспоненциально возрастает с уменьшением pH: Это связано с тем, что второй и третий члены становятся пренебрежимо малыми при очень низком pH. Этот член не зависит от наличия или отсутствия буферного агента. Для сильно щёлочных растворов, pH более примерно 12 (синий цвет на графике), доминирует третий член уравнения, и буферная ёмкость экспоненциально возрастает с увеличением pH: Это связано с тем, что первый и второй члены становятся пренебрежимо малыми при очень высоком pH. Этот член также не зависит от наличия или отсутствия буферного агента.

Применение буферов

pH раствора, содержащего буферный агент, может изменяться только в узком диапазоне, независимо от того, что еще может присутствовать в растворе. В биологических системах это необходимое условие для правильного функционирования ферментов. Например, в человеческой крови в плазменной фракции присутствует смесь угольной кислоты (HCO₃) и гидрокарбоната (HCO₃⁻); это является основным механизмом поддержания pH крови между 7,35 и 7,45. За пределами этого узкого диапазона (7,40 ± 0,05 единиц pH) быстро развиваются метаболические состояния ацидоза и алкалоза, что в конечном итоге приводит к смерти, если адекватная буферная емкость не будет быстро восстановлена. Если pH раствора слишком сильно повышается или понижается, эффективность фермента снижается в процессе, известном как денатурация, который обычно необратим. Большинство биологических образцов, используемых в исследованиях, хранятся в буферном растворе, часто в фосфатно-солевом буфере (PBS) при pH 7,4. В промышленности буферные агенты используются в процессах ферментации и для создания оптимальных условий для красителей, применяемых при окрашивании тканей. Они также используются в химическом анализе и для калибровки pH-метров.

Обычные буферные соединения, используемые в биологии

Для эффективного диапазона см. Буферную емкость, выше. См. также буферы Good's для исторических принципов проектирования и благоприятных свойств этих буферных веществ в биохимических приложениях. Общее название (химическое название) Структура pKa, 25 °C Темп. (Температурный) эффект, (K−1) Мол. вес ТАПС, ([tris(гидроксиметил)метиламино]пропансульфоновая кислота) 8.43 −0.018 243.3 Бицин, (2 (бис(2-гидроксиэтил)амино)уксусная кислота) 8.35 −0.018 163.2 Трис, (трис(гидроксиметил)аминометан, или 2-амино-2-(гидроксиметил)пропан-1,3-диол) 8.07 −0.028 121.14 Трицин, (N-[tris(гидроксиметил)метил]глицин) 8.05 −0.021 179.2 ТАПСО, (3-[N-tris(гидроксиметил)метиламино]-2-гидроксипропансульфоновая кислота) 7.635 259.3 ГЕПЕС, (4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинэтаносульфоновая кислота) 7.48 −0.014 238.3 ТЭС, (2-[[1,3-дигидрокси-2-(гидроксиметил)пропан-2-ил]амино]этаносульфоновая кислота) 7.40 −0.020 229.20 МОПС, (3-(N-морфолино)пропансульфоновая кислота) 7.20 −0.015 209.3 ПИПЕС, (пиперазин-N,N′-бис(2-этансульфоновая кислота)) 6.76 −0.008 302.4 Какодилат, (диметилмышьяковая кислота) 6.27 138.0 МЭС, (2-(N-морфолино)этаносульфоновая кислота) 6.15 −0.011 195.2