Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

14.18: рН та буфери

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    27996

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Термін рН позначає кількість легкодоступних протонів, присутніх у навколишньому середовищі. Якщо навколишнім середовищем є вода, рН - це показник концентрації іона гідронію (\(\ce{H3O+}\)) у воді.

    рН пов'язаний з рК. Обидва індекси працюють за логарифмічною шкалою, щоб уникнути перенесення великої кількості десяткових знаків у дуже малих числах. РН 6, характерний для багатьох біологічних середовищ, означає, що концентрація іонів гідронію становить близько 10 -6 моль/л (в якому моль - це одиниця, яка використовується для зручного підрахунку наноскопічних речей, таких як молекули або іони, так само, як дюжина використовується для підрахунку яєць або пончиків).

    Низький рН насправді означає, що навколо багато протонів або іонів гідронію. При низькому рН середовище дуже кисла. Низький рН зазвичай пов'язаний з наявністю сильних кислот Бронстеда. Типовий рН близько 3 в шлунку виробляється розведеною соляною кислотою, HCl.

    Другим фактором, що впливає на рН, є концентрація видів в розчині. Наприклад, якщо розчин HCl більш концентрований, то явно буде доступно більше протонів, тому рН буде нижче. Розчин, в якому концентрація HCl становить 0,1 моль/літр (або 10 -1 моль/л), матиме рН близько 1, але розчин, в якому концентрація HCl становить 0,001 моль/літр (або 10 -3 моль/л), буде мати рН близько 3. Зверніть увагу, що рН математично пов'язаний з показником концентрації кислоти при написанні в наукових позначеннях.

    Контроль рН дуже важливий в біологічних системах. Багато біологічних процесів працюють при оптимальному рівні рН, і багато біомолекул стабільні лише в певному діапазоні рН. Білки особливо чутливі до умов, включаючи рН. Зміни в умовах можуть легко призвести до того, що білки стають денатурованими, а це означає, що білок зазнає зміни форми, що сильно впливає на його здатність функціонувати. Ця зміна форми є конформаційною зміною, і вона спричинена зміною взаємодій вздовж білкового ланцюга, включаючи зміну електростатичних взаємодій, коли різні ділянки стають протонованими або депротонованими.

    clipboard_ee95a96e5d36c0fc02c8fc1a34e98a708.png
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Структура амінокислоти, гістидин, в діапазоні значень рН. Відзначимо, що загальний заряд на амінокислоту змінюється при наявності протонів.

    Різні організми можуть мати різні діапазони рН, в яких вони найкраще функціонують. Навіть різні тканини в одному організмі можуть найкраще працювати при різних значеннях рН. Для того, щоб підтримувати баланс рН на оптимальному рівні, біологічні системи використовують буфери. Буфери - це сполуки, які можуть або поглинати, або забезпечувати протони, щоб зберегти рН навколишнього середовища від зміни. Оскільки їм потрібно поглинати або забезпечувати протони, буфери - це слабкі кислоти Brønsted або слабкі основи разом з їх кон'югатами.

    Бікарбонат є прикладом буфера. Коли рН стає занадто високим, бікарбонат може забезпечити протон, стаючи карбонатом.

    clipboard_e1b154b96ab5447489f24cee420847882.png
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Буферна система карбонату/бікарбонату забезпечує протони.

    Коли рН стає занадто низьким, кон'югатна основа, карбонат, може поглинати протон і знову стати бікарбонатом.

    clipboard_ecb9119f129020ef29a1549c19a356729.png
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Буферна система карбонату/бікарбонату поглинає протони
    • Буфери підтримують баланс рН, перехоплюючи кислоти та основи.
    • Додавання міцної основи, такої як гідроксид, вичерпає протони з системи, підвищуючи рН; буфер забезпечує протони.
    • Додавання сильної кислоти, такої як хлорид гідронію, знизить рН; буфер забирає протони.

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Для буферних систем, описаних нижче, використовуйте стрілки, щоб показати, як буферна система нейтралізує (i) іон гідроксиду та (ii) іон гідронію.

    1. Аміак (\(\ce{NH3}\)) /хлорид амонію (\(\ce{NH4Cl}\))
    2. Дигідрофосфат натрію (\(\ce{NaO2P(OH)2}\)) /гідрофосфат натрію (\(\ce{Na2O3POH}\))
    3. Гідрофосфат натрію (\(\ce{Na2O3POH}\)) /фосфат натрію (\(\ce{Na3PO4}\))
    4. Гістидин (див. Вище) /гістидину гідрохлорид (гістидин. HCl)
    Відповідь

    Знімок екрана 2020-01-23 о 10.23.15 PM.png

    Відповідь б

    Знімок екрана 2020-01-23 о 10.23.37 PM.png

    Відповідь c

    Знімок екрана 2020-01-23 о 10.23.48 PM.png

    Відповідь d

    Знімок екрана 2020-01-23 о 10.23.58 PM.png

    Оскільки різні кислоти Brønsted, що беруть участь у цих буферах, мають різні pKA, і тому вони утримують протони більш-менш щільно, різні буфери здатні працювати в різних діапазонах рН. Цей фактор разом з контролем над концентраціями компонентів буферної системи дозволяє утримувати рН досить постійним практично при будь-якому необхідному значенні.

    Атрибуція