Roztwór buforowy (bufor pH) – roztwór mający właściwości utrzymywania praktycznie stałego pH pomimo rozcieńczania wodą lub dodawania niewielkich ilości mocnych kwasów lub zasad.

roztwory słabych kwasów i ich soli z mocna zasadą
CH₃COOH + CH₃COONa - – bufor octanowy

roztwory słabych zasad i ich soli z mocnym kwasem
NH₃ H₂O + NH₄Cl - – bufor amonowy

roztwory dwóch kwasów wieloprotonowych na różnym stopniu dysocjacji
NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄ – bufor fosforanowy
NaHCO₃ + H₂CO₃ – bufor węglanowy

Zastosowanie buforów w chemii i farmacji

• chemia analityczna (utrzymywanie pH w trakcie analiz miareczkowych, wzorce pH) < •

• chemia organiczna (rozdziały z wykorzystaniem chromatografii jonowymiennej) •

• biochemia (utrzymywanie pH w reakcjach w biologii molekularnej, np. PCR) •

• technologia postaci leku (np. badanie uwalniania leku z postaci leku)
   

źródła kwasów i zasad w organizmach
(które wymagają buforowania)

• endogenne
  -powstające w wyniku metabolizmu: kwas węglowy, mlekowy, moczowy (produkt katabolizmu DNA i RNA), amoniak (produkt metabolizmu aminokwasów) - wydzieliny soków trawiennych: sok żołądkowy (kwas solny), sok trzustkowy (o właściwościach zasadowych)

• egzogenne - pokarm o właściwościach kwasowych lub zasadowych - drobnoustroje (jama ustna, pochwa)
   

• Układy buforowe in vivo czyli utrzymywanie równowagi kwasowo-zasadowej w organizmach
  Głównym czynnikiem regulującym pH organizmu jest osocze krwi, w którym działają równocześnie różne układy buforowe:

  • bufor wodorowęglanowy

  • bufor fosforanowy

  • bufor białczanowy (białko/aniony białek)

  • bufor hemoglobinianowy (obecny tylko w erytrocytach)
     

Bufory krwi człowieka utrzymują pH w granicach: 7.35-7.45.

Sposoby transportu CO₂ do płuc

• transport w postaci jonów HCO₃ - (składnik naturalnego układu buforującego HCO₃^-/ H₂CO₃) powstających z dysocjacji kwasu węglowego powstającego podczas wiązania CO₂ przez wodę przy udziale anhydrazy węglanowej (70%)

• transport w postaci karbaminianów powstałych z CO₂ i białek osocza i hemoglobiny (20%) działanie układu hemoglobinianowego sprowadza się więc do wiązania jonów H+ powstających w wyniku dysocjacji kwasu węglowego
  (tkanki)
  oraz uwalniania CO₂
  (płuca)

• - rozpuszczony na zasadzie rozpuszczalności fizycznej w osoczu i cytoplazmie erytrocytów (10%)
   

Mechanizm działania mieszanin buforowych

np. CH₃COOH + CH₃COONa

Z punktu widzenia teorii kwasów i zasad Bronsteda i Lowry’ego bufory są mieszaniną sprzężonego kwasu i zasady.
Kwas (np. CH₃COOH) może oddać proton w reakcji z zasadą (zobojętnić ją), zasada (np. CH3COO-) może przyjść proton pochodzący od dodawanego kwasu (i zobojętnić go) CH₃COOH + CH₃COONa

Kwas jest słabo zdysocjowany i odgrywa rolę donora protonów (odłączenie protonów), natomiast jony CH3COO - rolą sprzężonej z nim zasady (przyłączenie protonów). Kwas octowy jako donor protonów zabezpiecza roztwór przed zmianą pH podczas dodawania do tego roztworu zasady. Dodawana do roztworu mocna zasada łączy się z protonem oddanym przez kwas octowy

CH₃COOH + OH ^- → CH₃COO ^- + H₂O
kwas zasada zasada kwas

W wyniku tej reakcji zmniejsza się liczba jonów OH-, czyli znika mocna zasada, a zamiast niej powstaje słabsza zasada CH3COO -; pH roztworu wzrośnie więc nieznacznie. Anion octanowy CH3COO - jako akceptor protonów zabezpiecza roztwór buforowy przed zmianą pH po dodaniu do układu niewielkich ilości mocnego kwasu. Dodany do roztworu kwas, np. H3O+ , oddaje proton jonowi octanowemu. W wyniku tej reakcji zmniejsza się liczba jonów H3O+, a na miejsce mocnego kwasu powstaje słaby kwas octowy, wskutek czego pH roztworu obniża się tylko nieznacznie.

CH₃COO ^- + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O
zasada kwas kwas zasada

Bufor octanowy (CH3COOH + CH3COONa)
CH₃COOH + OH^- → CH3COO^- + H₂O

kwas octowy pełni role donora protonów i wiąże jony OH- podczas dodawania zasady

CH3COO^- + H₃O+ CH₃COOH + H₂O

jon octanowy (pochodzący z dysocjacji CH3COONa) jest akceptorem protonów i tworzy słabo zdysocjowany kwas

Bufor fosforanowy (NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄)

H₂PO₄- + OH^- → HPO₄ - + H₂O

kwas Bronsteda

HPO₄^2- + H₃O⁺ → H₂PO₄ ^2- + H2O

zasada Bronsteda

Pojemność buforowa – miara zdolności do buforowania (utrzymywania pH na stałym poziomie)

Pojemność buforowa jest to stosunek ilości moli dodanego kwasu lub zasady do 1 dm3 buforu do zmiany pH, jaką wywołał dodatek tego kwasu będą zasady.

A=Δn\Δph

gdzie:
A – pojemnoąć buforowa
Δn – liczba moli dodanego mocnego kwasu lub mocnej zasady do 1dm3 roztworu buforowego
ΔpH – zmiana pH

Pojemność buforowa wzrasta ze stężeniem roztworu i maleje wraz z jego rozcięczeniem (ale rozcieęczenie nie zmienia pH !). Im większe ogólne stężenie składników tym większe jest buforowanie. Na zdolność buforowania ma wpływ również proporcja składników do siebie. Pojemność buforowa osiąga maksimum wtedy, gdy oba składniki są w takich samych ilościach 1:1 wtedy: [HA]=[A^-]

Wizualna obserwacja zmian pH
– wskaźniki alkacymetryczne (wskaźniki pH, indykatory)

Wskaźniki alkacymetryczne są słabymi kwasami lub zasadami organicznymi, których jony mają inne zabarwienie niż cząsteczki niezdysocjowane