Pufry [HA] Pro koncentraci [H + ] pak platí: [HA]

Transkript

1 Pufry Pufry neboli tlumivé roztoky jsou roztoky slabýh kyselin a jejih solí (konjugovanýh zásad) nebo slabýh zásad a jejih solí (konjugovanýh kyselin). Tlumivé roztoky mohou též tvořit roztoky směsí solí víesytnýh kyselin. Hlavní význam pufrů spočívá v možnosti přesného nastavení ph, v udržování daného ph a ve shopnosti tlumit výkyvy ph způsobené omezeným přídavkem kyseliny či zásady. Jednoduhým příkladem je pufr složený ze slabé kyseliny a její soli (př. kyselina otová a otan sodný aetátový pufr). V roztoku takového pufru se nahází disoiované a nedisoiované molekuly slabé kyseliny a ionty soli, přičemž anion soli je shodný s aniontem kyseliny. Disoiační rovnováha v tlumivém roztoku je popsána vztahem pro disoiační konstantu slabé kyseliny: K [H [ [H Chování pufru při přídavku silné kyseliny či zásady je možno popsat následujíím způsobem: Po přídavku H + iontů do pufru dohází k jejih reaki s aniontem za vzniku slabé kyseliny H (H + + H). V roztoku se ustanovuje nová disoiační rovnováha, a protože hodnota disoiační konstanty musí zůstat zahována, mění se poměr složek pufru (H a ). Podobně po přídavku OH a následné reaki hydroxidovýh aniontů s H (OH + H H 2 O + ), se opět ustanovuje nová disoiační rovnováha a při zahování hodnoty disoiační konstanty se mění poměr složek, z nihž je složen pufr. V obou případeh se tedy ph pufru po přídavku omezeného množství silné kyseliny či zásady výrazně nemění. Obdobně se bude hovat i pufr složený ze slabé zásady a její soli. Po přídavku H + iontů k roztoku dojde k reaki se slabou zásadou, po přídavku OH dojde k reaki s kationtem soli za vzniku slabé zásady. V obou případeh se ustaví nové disoiační rovnováhy, při nihž bude změněn poměr složek pufru, avšak ph se podstatně nezmění. Hodnota ph pufru Výpočet ph pufru složeného ze slabé kyseliny a její soli se odvozuje ze vztahu pro disoiační konstantu K. S jistými aproximaemi lze konentrai nedisoiovanýh molekul H nahradit elkovou konentraí kyseliny a konentrai aniontu vyjádřit pomoí elkové konentrae zela disoiované soli s. Pro konentrai [H + pak platí: [H [H K a poúpravě [H K [ S Po zaritmování pak pro výpočet ph tlumivého roztoku tvořeného směsí slabé kyseliny a její soli dostáváme vztah označovaný jako HendersonovaHasselbalhova rovnie. S ph pk Obdobný vztah lze odvodit i pro pufr připravený ze slabé zásady a její soli. ph 14 pk B S B

2 Pojmenujemeli složky pufrů ve smyslu Brønstedovy teorie (slabá kyselina a její konjugovaná báze, slabá zásada a její konjugovaná kyselina), je zřejmé, že obeně každý pufr se skládá z kyselé a zásadité složky. Pak můžeme Hendersonova Hasselbalhovu rovnii psát v obeném tvaru kde udává konentrai kyselé složky pufru, B konentrai baziké složky pufru a K je disoiační konstanta kyselé složky pufru. Pro výpočet ph pufrů tvořenýh z roztoků solí víesytnýh kyselin platí také obená Hendersonova Hasselbalhova rovnie. Typikým příkladem je fosfátový pufr tvořený směsí H 2 PO 4 a HPO 4 2. Do rovnie dosazujeme za (konentrae slabé kyseliny) hodnotu [H 2 PO 4 a za B (konentrae konjugované zásady) hodnotu [HPO 4 2. Hodnota K je disoiační konstanta H 2 PO 4. Z obené HendersonovyHasselbalhovy rovnie plynou následujíí závěry: Hodnota ph pufru závisí na poměru konentraí obou složek pufru (kyselé a baziké) a nikoliv na jejih absolutní hodnotě. ph pk B V případě rovnosti konentraí baziké a kyselé složky pufru se ph pufru rovná disoiační konstantě K. B = ph = pk Hodnota ph pufru se zředěním nemění. (Platí to pro značný, ale omezený rozsah konentraí). Grafikým vyjádřením HendersonovyHasselbalhovy rovnie jsou titrační křivky slabýh kyselin nebo zásad (jejih horizontální část). Jednoduhým příkladem je titrae kyseliny otové hydroxidem sodným. Titrae probíhá podle neutralizační rovnie: CH COOH + NaOH CH COONa + H 2 O Titrační křivka vystihuje závislost ph na množství přidaného titračního činidla. Na počátku titrae je v reakční směsi pouze slabá kyselina otová, v průběhu titrae přibývá otan sodný a roztok je směsí kyseliny otové a otanu sodného v různýh poměreh až do bodu ekvivalene, kdy je kyselina otová ztitrovaná a v reakční soustavě je pouze vodný roztok otanu sodného. Za bodem ekvivalene v reakční směsi přibývají hydroxidové anionty, ph ryhle vzrůstá (obr 8.2. ). Titrační křivka má tři odlišné fáze, jak je zřejmé z obrázku. Počáteční a konečnou fázi harakterizovanou strmým vzestupem ph a střední (plohou) část, kdy se ph v poměrně širokém rozmezí přidávaného činidla mění jen velmi málo jedná se o oblast pufru. Roztok obsahuje směs slabé kyseliny a její soli a odolává přídavkům silného hydroxidu bez výrazné změny ph.

3 Obr.8.2: Titrační křivka Hodnotu ph roztoku v průběhu titrae můžeme (kromě počátku a bodu ekvivalene) vypočítat podle Hendersonovy Hasselbalhovy rovnie. V případě, že konentrae kyseliny otové (H) a otanu sodného () budou stejné, lze odvodit, že ph bude odpovídat pkh. Tato situae nastává při 50 proentní neutralizai kyseliny. Již bylo uvedeno, že směs kyseliny a její soli se bude hovat jako účinný pufr tehdy, budouli jejih konentrae blízké. Průběh křivky potvrzuje, že v oblasti poloviční neutralizae a nejbližším okolí, kdy konentrae obou složek pufru jsou velmi podobné, je změna ph způsobená přídavkem silného hydroxidu účinně tlumena. Shopnost pufru tlumit změny ph vyjadřuje veličina pufrační kapaita. Charakterizuje účinnost tlumivého roztoku a je vyjádřena jako látková konentrae kyseliny či zásady, která v pufru způsobí určitou změnu ph. V praxi se často hodnotí jako látkové množství H + či OH, které v pufru (o objemu 1litr) vyvolá změnu ph 0,1. Kapaita dobrýh pufrů dosahuje praktiky nejvýše hodnotu = 0,2. Pufrační kapaita tlumivého roztoku je maximální při ph = pk. Jednoduhý pufr je použitelný přibližně v rozmezí hodnot ph od (pk + 1) do (pk 1), ož odpovídá poměru [H/[ od 10 do 0,1. Ředěním pufru klesá jeho kapaita, přičemž hodnota ph se nemění. β Δ H, OH Δ ph př Při přípravě pufrů v praxi vyházíme buď z pevnýh solí víesytnýh kyselin, nebo z roztoků slabýh kyselin či zásad a jejih solí; též je možno pufr připravit titračně přídavkem silné kyseliny či zásady k roztoku protolytu. V případě nutnosti praovat s tlumivým roztokem v rozsahu elé škály ph se používají universální pufry získané ze směsi slabýh kyselin a jejih solí (př. BrittonRobinson). V biohemikém a bioikém výzkumu se často užívají pufry na bázi amfiontů, které musí splňovat vedle obenýh požadavků (dobrá pufrační kapaita, snadná příprava) také některé speiální požadavky jako např. izotoniita. Tab.10.5: Příklady pufračníh roztoků užívanýh v laboratoři Pufr Pufrační báze Pufrační kyselina Oblast ph Hydrogenfosfátový Na 2 HPO 4 NaH 2 PO 4 5,68,1 etátový CH COONa CH COOH,65,6 Borátový Na 2 B 4 O 7 H BO 7,19,2 Citrátfosfátový Na 2 HPO 4 itronová kys. 2,28,0

4 Další příklady pufrů Otanový pufr: otan sodný + kyselina otová, 0,2 mol/l ph CHCOONa H2O, M16.09; 0.2Mroztok obsahuje g/l. CHCOOH 0,2 mol/l x ml 0.2MNaO and y ml 0.2MHO smíhat. ph, 18 C x ml 0.2MNaO y ml 0.2MHO Fosfátový pufr ph při 25 C Na 2 HPO 4 2H 2 O, M= ; 0.2Mroztok obsahuje 5.61 g/l. Na 2 HPO 4 12H2O, M= 58.22; 0.2M roztok obsahuje g/l. NaH 2 PO 4 H 2 O, M= 18.01; 0.2M roztok obsahuje 27.6 g/l. NaH 2 PO 4 2H 2 O, M= 156.0; 0.2M roztok obsahuje 1.21 g/l. x ml 0.2MNa 2 HPO 4, y ml 0.2MNaH2PO 4 ; doplnit do 100 ml H 2 O.

5 ph, 25 x ml 0.2My ml 0.2MNaH C Na 2 HPO 2 PO Uhličitanový pufr, ph Na 2 CO 10H 2 O, M= 286.2; 0.1M roztok obsahuje g/l. NaHCO, M= 84.0; 0.1Mroztok obsahuje 8.40 g/l. x ml 0.1MNa 2 CO and y ml 0.1MNa 2 HCO je smíháno. ph 20 C 7 C x ml 0.1MNa 2 CO y ml 0.1MNaHCO

6 G o o d o v y p u f r y : ( h t t p : / / w w w. s i g m a a l d r i h. o m / a t a l o g / s e a r h / T a b l e P a g e / Pufrační systémy v organismu Na udržování stálého prostředí v bioikýh tekutináh se podílí několik různýh pufrů. Každý z nih lze harakterizovat jeho vlastní Hendersonovou Hasselbalhovou rovnií.v různýh kompartmenteh se tyto pufry podílejí na udržování ph s rozdílnou významností, přičemž navzájem spolupraují. Přídavek nebo úbytek H + se rozdělí mezi různé pufry úměrně jejih pufračním kapaitám. Nejdůležitější pufrační systémy: Hydrogenuhličitankyselina uhličitá. Hydrogenuhličitanový pufr bývá v kliniké mediíně tradičně označován jako bikarbonátový (zastaralý název hydrogenuhličitanů). Tvoří hlavní pufr extraelulárníh tekutin, odpovídá za víe než polovinu pufrační kapaity krve. Je tvořen HCO a H 2 CO. Do HendersonovyHasselbalhovy rovnie se zahrnuje i fyzikálně rozpuštěný CO 2, který je s kyselinou uhličitou v rovnováze: CO 2 + H 2 O H 2 CO H + + HCO Místo konentrae [H 2 CO je proto nutné počítat s tzv. "efektivní" konentraí kyseliny uhličité [H 2 CO +CO 2 a místo pravé disoiační konstanty kyseliny uhličité se používá upravená disoiační konstanta respektujíí rovnováhu při efektivní konentrai kyseliny uhličité. ph pk (H 2 CO ) [CO [HCO 2 H 2 CO 6,1 [HCO 2 H CO ef Efektivní konentrae přímo závisí na pariálním tlaku CO 2 v krvi (pco 2 ) a na rozpustnosti CO 2 v krvi (skoefiient rozpustnosti). Pariálním tlakem se uvažuje takový tlak CO 2 v uzavřeném prostoru nad kapalinou (krví), který je v termodynamiké rovnováze s konentraí rozpuštěného CO 2 a H 2 CO. Efektivní látkovou konentrai [CO 2 + H 2 CO v mmol.l 1 tak lze vyjádřit jako součin pco 2. s, kde koefiient rozpustnosti s má při teplotě 7 o Chodnotu 0,2 (pro pco 2 v kpa). Obená HendersonHasselbalhova rovnie pro hydrogenuhličitanový pufr v krvi pak nabývá tvaru: ph 6,1 [HCO pco 0,2 2 (Konentrae HCO se při použití koefiientu rozpustnosti 0,2 dosazuje v mmol/l!!!) Vysoká účinnost tohoto pufru je dána možností regulovat množství vydýhaného CO 2. Bílkoviny. Pufrační účinek bílkovin je způsoben jejih amfoterním harakterem (podobně jako u aminokyselin). Ionizovatelné skupiny postranníh řetězů mohou reagovat jako slabé kyseliny nebo slabé

7 zásady. V oblasti fyzioikého ph mají nejdůležitější úlohu imidazolové skupiny histidinovýh zbytků (pk=6,0) tab.9.4. (Viz též II. díl skripta, kap. 29) Tab Hodnoty pk vedlejšíh řetězů aminokyselin minokyselina Skupina ve vedl. řetězi pk skupiny Poznámka spartát βkarboxyl (COOH),9 při ph 7,4 úplná disoiae na COO Glutamát γkarboxyl (COOH) 4, při ph 7,4 úplná disoiae na COO Histidin imidazolium a 6,0 kyselá složka proteinovýh pufrů Cystein sulfanyl (SH) 8, při fyziol. ph se neuplatňuje Tyrosin fenolový hydroxyl (OH) 10,1 při fyziol. ph se neuplatňuje Lysin εamonium (NH + ) 10,5 při ph 7,4 je kladně nabitá rginin guanidinium NH(NH 2 )C=NH ,5 při ph 7,4 je kladně nabitá a viz II. díl, kap. 17 a 29. Nejvýznamnějším bílkovinným pufračním systémem v krvi je systém hemoglobin/oxyhemoglobin, který tvoří téměř jednu třetinu její pufrační kapaity. Oxygenovaný hemoglobin (pk = 6,2) se hová jako silnější kyselina než hemoglobin (pk =7,8). Proto při oxygenai hemoglobinu (Hb) v pliíh uvolňuje vznikajíí oxyhemoglobin (HbO 2 ) část protonů. Naopak ve tkáníh je oxyhemoglobin po odevzdání O 2 převáděn na hemoglobin, který se hová jako akeptor protonů. HHb Hb + H + pk 7,8 HHbO 2 HbO 2 + H + pk 6,2 Bílkoviny se rovněž podílejí na udržování ph plasmy (zejména albumin) a intraelulárního prostoru. Hydrogenfosfáty. Ve fyzioiké oblasti ph se uplatňuje fosfátový pufr tvořený složkami HPO 4 2 H 2 PO 4. Hodnota pk kyseliny fosforečné při disoiai do druhého stupně je 6,8. Fosfáty jsou hlavním pufračním systémem moče, podílí se též na udržování ph v intraelulárním prostoru. a Tab.10.7: Pufrační systémy v plné krvi Pufrační systém Zastoupení Pufrační báze Pufrační kyselina pk Hydrogenuhličitanový 50 % HCO H 2 CO + CO 2 6,1 Proteiny a 45 % ProteinHis ProteinHisH + 6,08,0 b Hydrogenfosfátový 5 % HPO 4 2 H 2 PO 4 6,8 a V krevní plazmě hlavně albumin, v erytroyteh hemoglobin. b Výrazně závisí na typu bílkoviny.

8 Význam udržování konstatního ph ve vnitřním prostředí Udržování stálé hodnoty ph je nezbytné pro normální průběh životníh funkí a je jednou z hlavníh priorit regulačníh mehanismů v organismu. Většina bioikýh pohodů probíhá při ph kolem 7, s nejčastějším rozmezím mezi hodnotami 69. Většina biohemikýh pohodů je vzhledem k enzymové katalýze na hodnotě ph prostředí významně závislá a již nepatrné odhylky od stabilníh hodnot mohou vyvolat jejih zpomalení či zástavu. Hodnoení aidobaziké rovnováhy je proto jedním z velmi důležitýh faktorů při posouzení stavu organismu. Základním ukazatelem je hodnota ph krve. Její referenční rozmezí je 7,6 7,44. Současně jsou měřeny další hodnoty v krvi pco 2, po 2 a konentrae hemoglobinu. Další parametry se pak dopočítávají. K poruhám aidobaziké rovnováhy dohází při změně konentrae vodíkovýh či hydroxidovýh aniontů způsobené řadou příčin, např. jejih zvýšeným příjmem, zvýšenou tvorbou v důsledku metabolikýh poruh (např. tvorba ketonovýh látek při diabetu, tvorba laktátu při hypoxii), či mimořádnými ztrátami (ztráta HCl při zvraení, zvýšené vylučování HCO při poruháh ledvin). Při poklesu ph krve pod dolní hranii se jedná o aidemii (stav organismu, který ji vyvolal je aidóza), při zvýšení ph krve nad horní hranii hovoříme o alkalemii (stav, který ji vyvolal je alkalóza).