Bufory - roztwory, których wartość pH po dodaniu niewielkich ilości mocnych kwasów albo zasad, jak i po rozcieńczeniu wodą prawie się nie zmienia. Roztwór buforowy to mieszanina kwasu i zasady czyli mieszanina protonodawcy i protonobiorcy według teorii Brönsteda.

Mechanizm działania buforu najłatwiej jest prześledzić na przykładzie układu słabego kwasu i komplementarnej do niego soli. W tym przypadku głównym źródłem silnej zasady (A-) nie jest słabo dysocjujący kwas lecz mocno zdysocjowana sól (XA):

XA ↔ X⁺(aq) + A^-(aq) (1)

Niezależnie od wyjściowych składników bufora, po ich rozpuszczeniu w wodzie i częściowej dysocjacji tworzy się równowaga słabego kwasu (HA) i sprzężonej z nim mocnej zasady (A-):

HA(aq) + H₂O ↔ H₃O⁺(aq) + A^-(aq) (2)

która jest odpowiedzialna za odporność buforu na zmiany pH.

Ze względu na dużą ilość jonów A^- dostarczanych w reakcji (1) przez sól, równowaga opisana równaniem (2) jest bardzo silnie przesunięta w stronę kwasu (HA). Można powiedzieć, że w tego rodzaju buforze niemal cała ilość jonów A^- pochodzi z soli, zaś słaby kwas (HA) pozostaje w roztworze w formie prawie nie zdysocjowanej. Zadaniem soli jest więc w sumie blokowanie dysocjacji słabego kwasu.

W momencie dodania do roztworu buforowego silnej zasady, reaguje ona z jonami hydroniowymi (H₃O⁺(aq)), które jednak są natychmiast regenerowane przez dysocjację kwasu (HA), którą uruchamia właśnie fakt znikania jonów hydroniowych w równowadze opisanej równaniem (2). W momencie dodania silnego kwasu, silna zasada sprzężona (A-), która występuje cały czas w dużym stężeniu po prostu reaguje z tym kwasem i w rezultacie pH całego układu się nie zmienia.

Pojemność buforowa [edytuj]

Naturalnie, cały układ buforujący nie jest skuteczny w nieskończoność. Każdy bufor posiada swoją pojemność, zwaną pojemnością buforową β, która jest warunkowana stałą równowagi głównej reakcji buforowej, oraz stężeniem czynnika słabo dysocjującego. Na przykład jeśli do roztworu bufora złożonego ze słabego kwasu i jego soli, dodamy tyle silnej zasady, że spowoduje ona całkowitą dysocjację słabego kwasu (HA), w reakcji (2) to dalsze dodawanie tej zasady spowoduje już taką zmianę pH jaka by następowała bez obecności bufora. Pojemność buforowa zależy od ogólnego stężenia kwasu i jego soli. Maksymalna pojemność wzrasta wraz z ogólnym stężeniem i nie zależy od mocy kwasu^[1].

Definicja [edytuj]

Pojemność buforowa zdefiniowana jest jako:

gdzie:

• Δn - ilość moli dodanego mocnego kwasu lub zasady (w praktyce podaje się dla 1 dm³ buforu, (Δn/V))

• ΔpH - zmiana pH wywołana dodaniem tej ilości kwasu lub zasady

Pojemność buforowa (jej wartość jest zależna od pH) określa więc wrażliwość określonej ilości roztworu na dodawanie mocnego kwasu lub zasady, np. zmiana pH o 0,01 w wyniku dodania 0,006 mola kwasu lub zasady oznacza β=0,6 mol.

Wzór van Slyke'a [edytuj]

Wzór van Slyke'a pozwala obliczyć pojemność buforową β jako funkcję pH roztworu, dla układu typu: HA + A^- (łącznie z obszarem nadmiaru mocnego kwasu lub nadmiaru mocnej zasady):

gdzie:

• C = [HA] + [A ⁻ ] - łączne stężenie słabego kwasu i jego soli

• K_a - stała dysocjacji kwasu HA

• 
  

Największa pojemność buforowa pojawia się w obszarze buforowym dla pH = pK_a oraz dla dużych nadmiarów mocnego kwasu lub zasady (daleko poza obszarem buforowym).

Uproszczony wzór van Slyke'a pozwala obliczyć pojemność buforową β jako funkcję pH roztworu, dla układu typu: HA + A^- (tylko w obszarze bufora w pobliżu pK_a, bez obszaru nadmiaru mocnego kwasu lub nadmiaru mocnej zasady):

Zastosowania i rodzaje buforów [edytuj]

Roztwory buforowe służą do utrzymania stosunkowo stałego odczynu roztworów. Stosuje się je do wielu przemysłowych procesów, wymagających utrzymywania w miarę stałego pH - np. przy produkcji barwników, leków syntetycznych oraz w procesach fermentacyjnych, a także w poligrafii, przy druku w technice offsetowej. Wiele buforów jest też stosowanych do kontrolowania pH gotowych produktów spożywczych, kosmetyków i leków. Niektóre bufory (np. boranowy) są same stosowane jako substancje lecznicze - np. do przemywania poparzonej skóry lub oczu.

Do najważniejszych buforów należą:

• bufor octanowy: CH₃COOH, CH₃COONa w zakresie pH = 3,5 - 6

• bufor amonowy: NH₃* H₂O, NH₄Cl w zakresie pH = 8 - 11

• bufor fosforanowy: NaH₂PO₄, Na₂HPO₄ w zakresie pH = 5,5 - 8

• bufor boranowy: H₃BO₃, Na₂B₄O₇ w zakresie pH = 7 - 9

Bufory utrzymują ściśle określone pH ustroju wszystkich organizmów, którego zachwianie może spowodować śmierć organizmu. Bufory krwi człowieka utrzymują pH w granicach: 7.35-7.45.

W organizmach ludzkich znaczącą rolę pełnią bufory:

• białczanowy

• hemoglobinowy

• wodorowęglanowy

Bufor hemoglobinowy - bufor stanowiący 35% pojemności buforowej krwi, którego głównym składnikiem jest hemoglobina. Dzięki buforowi utrzymywane jest stałe pH.

Z buforem wiąże się tzw. efekt Bohra - zjawisko, w którym hemoglobina trudno wiąże się z cząsteczkami tlenu. W organizmie w określonych miejscach występują specyficzne warunki umożliwiające wiązanie lub oddawanie tlenu:

• w komórkach organizmu, w których występuje duże stężenie jonów H⁺ oraz CO₂, następuje odłączenie tlenu i pobranie jony wodoru i cząsteczki CO₂ przez hemogloninę;

• w płucach, w których jest wysokie stężenie O₂, następuje oddanie przez hemoglobinę CO₂ i H⁺ z równoczesnym pobraniem tlenu.

W cyklu pobierania i oddawania tlenu wytwarzany jest karbaminian (HbNHCO₃), który transportuje resztę kwasu karboksylowego.

Bufor wodorowęglanowy - jeden z najważniejszych buforów organizmu człowieka.

Bufor to mieszanina kwasu (protonodawcy) i zasady (protonobiorcy) według teorii protonowej Brönsteda. Roztwór, który pomimo wprowadzenia niewielkiej ilości mocnego kwasu lub mocnej zasady zachowuje stałą wartość pH.

SKŁADNIKI BUFORU:

• kwas (protonodawca) H₂CO₃

• zasada (protonobiorca) HCO₃^- - (anion wodorowęglanowy)

WZÓR NA pH BUFORU (wzór Hendersona-Hasselbalcha)

pH=pK+log (Cakceptora/Cdonora)

gdzie:

K- stała dysocjacji protonodawcy

C- stężanie protonodawcy/protonobiorcy

REAKCJE BUFOROWANIA:

po dodaniu do buforu:

1. mocnego kwasu: HCO₃^- + H⁺ ↔ H₂CO₃

2. mocnej zasady: H₂CO₃ + OH^- ↔ HCO₃^- +H₂O

Bufor to roztwór o takich właściwościach że pomimo dodawania kwasu lub zasady pH nie ulega zmianie. Wyróżniamy bufory syntetyczne i naturalne. Wpływają one na aktywność enzymatyczną, hormonalną i florę bakteryjną.

Homeostaza ma za zadanie utrzymywać pewne niezmienne warunki dla prawidłowego funkcjonowania organizmu, umożliwiają ją procesy oddychania, wydalania CO2, wydalania moczu. Krew jest buforem. Składa się ona z hemoglobiny, a hemoglobina jest zbudowana z kwaśnego hemu i zasadowej globiny. Hemoglobina zabezpiecza przed czynnikami zasadowymi, zobojętnia środowisko.

CO2, H2O.

H2CO3-> H+ + HCO3-

Jest w naszym ustroju przy niskim parcjalnym ciśnieniu CO2, ważna w pęcherzykach płucnych, gdzie uwalnia CO2 i H2O.

Mechanizm krwi:

H+ +KHb-> KHCO3 + HHb. I Ten mechanizm jest po to, by pH krwi nie ulegało zmianie. Hem jest kwaśny, a globina zasadowa.

H2CO3 i NaHCO3 w stosunku 1:20. Jest to układ słaby kwas i jego sól. On jest ważny podczas nadmiernego wysiłku, gdyż wtedy w mięśniach powstaje kwas mlekowy, a on jest silniejszym kwasem od H2CO3 i może zakwaszać środowisko. Ból po wysiłku fizycznym to efekt zerwania włókien mięśniowych.

CH3 CH(OH)COOH kwas mlekowy. Na+ przyłącza się w miejsce wodoru w COOH i powstaje sól, a HCO3- z niego powstaje słaby kwas.

Bufor białczanowy H2N-białko-COOH .Białko w zależności od pH środowiska może przyjmować lub oddawać wodór.

H2N-białko-COO- lub H3N+-białko-COOH. W nerkach NH3+ przekształcany na NH4+ i wydalany.

Pojemność buforowa-bufor jest ograniczony, może określać na ile bufor wytrzyma kontakt ze stężonym kwasem lub zasadą.

Β=dn/dpH

B-pojemność buforowa.

Dn-ilość moli dodanej substancji

dpH-zmiana pH

Mol to jednostka, jest równa 6,02 ∙10²³, a to jest liczba Avogadro.

Liczba Avogadro to tyle atomów węgla izotopu węgla 12, która zmieści się w 12 g tego izotopu.

1 mol CH3COOH w jednym litrze, to 60 g.

1 mol H2SO4 w 1 l to 98 g.

Bufory mają różne pH w zależności od temperatury. pH bufora nie zależy od stężenia, tzn. od rozcieńczenia roztworu bufora wodą destylowaną.

Czerwień metylowa w kwaśnym pH jest buraczkowa.

W słabo kwaśnym malinowa

W neutralnym pomarańczowo-żółta

W zasadowym żółta.

Pomiędzy wodą destylowaną a kranową jest różnica, kranowa jest zasadowa.

Sól rozpuszczana w wodzie wiąże wodę w kryształach, dlatego nie wlewam od razu 199 ml wody, poza tym masa substancji nie jest równa objętości.

---