Для того чтобы приготовить буферный раствор

Буферные растворы и их приготовление

Химические процессы, протекающие в тканях организма, особенно с участием ферментов, требуют наличия ряда условий, среди которых важное значение имеет рН среды. Как известно, степень кислотности данного раствора зависит от концентрации ионов Н+ , а степень его щелочно­сти — от концентрации ионов ОН-.

При определенной температуре произведение положи­тельно и отрицательно заряженных ионов -величина постоянная. Зная один из показателей, можно определить другой. Исходя из этого положения, в химии принято обозначать кислотность или щелочность раствора условно через водородный показатель (рН), представляющий лога­рифм концентрации ионов Н+ , взятый с обратным знаком. Так, при рН 7,0 концентрация ионов Н+ равна концентрации ионов ОН- и раствор имеет нейтральную реакцию. Чем показатель рН меньше 7,0, тем концентрация ионов Н+ выше (ведь показатель с обратным знаком) и тем больше кислотность раствора. Наоборот, чем рН больше 7,0, тем меньше ионов Н+ в растворе и более выражены его щелочные свойства.

Различные ферменты требуют для проявления своей активности разные значения рН.

Так, оптимальное условие для действия щелочной фосфатазы при рН 9,0, тогда как для кислой фосфатазы требуется рН 5,0.

Чтобы обеспечить наилучшие условия для проявления активности гистохимически выявляемого фермента, необходимо, чтобы в среде инкубации поддерживалось значение рН, оптимальное для данного фермента. Это условие достигается введением в среду инкубации буферных смесей с заданными значениями рН. Наиболее распространенными буферными растворами являются фосфатный, ацетатный и трис-буфер.

Приготовление буферных растворов

Прежде чем дать прописи буферных смесей, необходимо напомнить, что для определения концентрации растворов реактивов приняты понятия молярность (М) и нормальность (N).

Молярность раствора (М) — количество грамм-молей вещества, содержащихся в 1 л раствора. Грамм-моль — молекулярная масса данного вещества, выраженная в граммах. Например, для приготовления раствора в концентрации 0,2 М необходимо на 1 л раствора взять вещество в количе­стве, равном 0,2 его молекулярной массы.

Нормальность (N) — количество грамм-эквивалентов в 1 л раствора.

Грамм-экивалент — количество данного вещества, химически равноценное в данной реакции 1 грамм-атому водорода.

Для сложных веществ — это количество вещества, соответствующее прямо или косвенно при химических превращениях 1 грамму водорода или 8 граммам кислорода.

Эоснования = Моснования / число замещаемых в реакции гидроксильных групп

Экислоты = Мкислоты / число замещаемых в реакции атомов водорода

Эсоли = Мсоли / произведение числа катионов на его заряд

Э H2SO4 = М H2SO4 / 2 = 98 / 2 = 49 г

Э Ca(OH)2 = М Ca(OH)2 / 2 = 74 / 2 = 37 г

Э Al2(SO4)3 = М Al2(SO4)3 / (2· 3) = 342 / 2= 57 г

Фосфатный буфер (рН 6,0—8,0).

А — 0,2 М КН2 РО4 (13,6 г соли в 1 л дистиллированной воды);

Б — 0,2 М Na2 НР04 (31,2 г Na2 НРО4 . 2Н2 О в 1л ди­стиллированной воды).

Для получения 100 мл буфера нужного рН следует слить растворы Аи Б в количествах, указанных в табл. 1.

Источник

Введение в метрологию. Единство измерений. Контроль качества измерений. Аналитические технологии.в КЛД

Растворы

1. Концентрации раствора

Раствор — это твердая, жидкая или газообразная гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т. е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов.
Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить дополнительное количество данного вещества, ненасыщенным.

Концентрацию растворов можно выражать следующими способами:

1. Процентная концентрация по массе (ω, %) — число единиц массы (например, число граммов) растворенного вещества (m_р.в.), содержащихся в 100 единицах массы (например, в 100 граммах) раствора (m_р-ра):

ω= (m_р.в.·100%)/m_р-ра.

Например, 15% раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 г которого содержится 15 г NaCl и 85 г воды.

2. Молярность(С_м) — число моль (n) растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:

С м = n/V.

Так, 2М H 2 SO 4 обозначает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два моля H 2 SO 4 , 196 г.

3. Молярная концентрация эквивалента (нормальность)(С_Н):— число моль эквивалентов (n_экв) растворенного вещества, содержащихся в одном литре раствора: Так, 2н. H₂SO₄ означает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два эквивалента, т. е. 98 г H₂SO₄.

4. Моляльность(С_m) — число молей растворенного вещества, приходящихся на 1000 г растворителя. Так, 2m H₂SO₄ означает раствор серной кислоты, в котором на 1000 г воды приходится два моля H₂SO₄. Мольно-массовая концентрация раствора – моляльность, в отличие от его молярности, не изменяется при изменении температуры.

5. Мольная доля(N_i) — отношение числа молей данного вещества (n₁) к общему числу молей всех веществ (n₁, n₂), имеющихся в растворе:

N₁=n₁/(n₁+n₂).

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка:

С_Н1V₁= С_Н2V₂,

где С_Н1, С_Н2 – молярные концентрации эквивалента (моль) растворенного вещества 1 и 2 соответственно; V₁, V₂ – объемы растворов (л) 1 и 2 соответственно. Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

Для очень разбавленных растворов и для очень низких содержаний элементов удобно выражать долю компонента от общего количества вещества в частях на миллион (млн -1 , ppm ).

Плотность разбавленных растворов близка к 1,00 г×мл -1 .

В этом случае: 1 млн -1 (1 ppm ) = 1 мкг× мл -1 (1μ g / ml ) = 1 мг× л -1 ,

1 млн -1 (1 ppm ) = 1×10 -4 % (масс.)

m _{растворенного компонента}

Для еще более разбавленных растворов или более низких содержаний компонента результаты чаще представляют числом частей на мллиард:

m _{растворенного компонента}

Тогда: 1 ppb = 1 нг×мл -1 ( ng / ml ) = 1 мкг×л -1 (1 μ g / l ),

При еще меньших содержаниях компонента, оперируют триллионными долями:

1 ppt (1 часть на триллион частей) = 1×10 -12 %.

Когда говорят о газах, то долю (млн -1 ), относят не к массе, а к объему. Например, 12 млн -1 (12 ppm ) СО₂ в воздухе означают 12 микролитров (12 μl ) СО₂ на 1 л воздуха.

Источник

Введение в метрологию. Единство измерений. Контроль качества измерений. Аналитические технологии.в КЛД

Растворы

1. Концентрации раствора

Раствор — это твердая, жидкая или газообразная гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т. е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов.
Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить дополнительное количество данного вещества, ненасыщенным.

Концентрацию растворов можно выражать следующими способами:

1. Процентная концентрация по массе (ω, %) — число единиц массы (например, число граммов) растворенного вещества (m_р.в.), содержащихся в 100 единицах массы (например, в 100 граммах) раствора (m_р-ра):

ω= (m_р.в.·100%)/m_р-ра.

Например, 15% раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 г которого содержится 15 г NaCl и 85 г воды.

2. Молярность(С_м) — число моль (n) растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:

С м = n/V.

Так, 2М H 2 SO 4 обозначает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два моля H 2 SO 4 , 196 г.

3. Молярная концентрация эквивалента (нормальность)(С_Н):— число моль эквивалентов (n_экв) растворенного вещества, содержащихся в одном литре раствора: Так, 2н. H₂SO₄ означает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два эквивалента, т. е. 98 г H₂SO₄.

4. Моляльность(С_m) — число молей растворенного вещества, приходящихся на 1000 г растворителя. Так, 2m H₂SO₄ означает раствор серной кислоты, в котором на 1000 г воды приходится два моля H₂SO₄. Мольно-массовая концентрация раствора – моляльность, в отличие от его молярности, не изменяется при изменении температуры.

5. Мольная доля(N_i) — отношение числа молей данного вещества (n₁) к общему числу молей всех веществ (n₁, n₂), имеющихся в растворе:

N₁=n₁/(n₁+n₂).

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка:

С_Н1V₁= С_Н2V₂,

где С_Н1, С_Н2 – молярные концентрации эквивалента (моль) растворенного вещества 1 и 2 соответственно; V₁, V₂ – объемы растворов (л) 1 и 2 соответственно. Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

Для очень разбавленных растворов и для очень низких содержаний элементов удобно выражать долю компонента от общего количества вещества в частях на миллион (млн -1 , ppm ).

Плотность разбавленных растворов близка к 1,00 г×мл -1 .

В этом случае: 1 млн -1 (1 ppm ) = 1 мкг× мл -1 (1μ g / ml ) = 1 мг× л -1 ,

1 млн -1 (1 ppm ) = 1×10 -4 % (масс.)

m _{растворенного компонента}

Для еще более разбавленных растворов или более низких содержаний компонента результаты чаще представляют числом частей на мллиард:

m _{растворенного компонента}

Тогда: 1 ppb = 1 нг×мл -1 ( ng / ml ) = 1 мкг×л -1 (1 μ g / l ),

При еще меньших содержаниях компонента, оперируют триллионными долями:

1 ppt (1 часть на триллион частей) = 1×10 -12 %.

Когда говорят о газах, то долю (млн -1 ), относят не к массе, а к объему. Например, 12 млн -1 (12 ppm ) СО₂ в воздухе означают 12 микролитров (12 μl ) СО₂ на 1 л воздуха.

Источник

2.6 Буферные растворы

Буферными называют растворы, рН которых не изменяется при разбавлении или добавлении небольших количеств сильной кислоты или сильного основания.

Буферный раствор состоит из растворенных в воде слабой кислоты и ее соли, например, СН₃СООН и СН₃ССОNa, или из слабого основания и его соли, например, NH₄OH и NH₄Cl.

Значения рН буферного раствора, состоящего из слабой кислоты и ее соли, рассчитывают по формуле (2.6.1):

рН= рК_НА — lg, (2.6.1)

где С_НА и С_ВА – молярные концентрации кислоты и соли соответственно в буферном растворе, моль/л;

К_НА – константа диссоциации кислоты.

Из уравнения (2.6.1) следует, что значения рН буферных растворов зависит только от отношения общих концентраций компонентов раствора и не зависит от разбавления (до определенных пределов). При изменении объема раствора концентрация каждого компонента изменяется в одинаковое число раз, а отношение концентраций не изменяется.

При условии С_НА= С_ВА отношение =1 и lg=0, то есть, рН= рК_НА.

Для буферных растворов, состоящих из слабого основания ВОН и его соли ВА, значение рН рассчитывают по формуле (2.6.2):

рН=14 — рК_ВОН + lg (2.6.2)

Величину буферного действия характеризуют с помощью буферной емкости, равной количеству вещества эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, которое нужно добавить к 1 литру буферного раствора, чтобы изменить рН на единицу. Буферная емкость измеряется в моль экв./л или в ммоль экв./л.

Буферная емкость зависит от природы и общих концентраций компонентов буферного раствора, а также от соотношения их концентраций. Чем больше концентрация компонентов буферного раствора и чем ближе к единице отношение (в случае кислых буферов) и (в случае основных буферов), тем больше буферная емкость. Буферная емкость максимальна, когда вышеприведенные отношения равны единице.

Пусть Б – буферная емкость, а и b – количество вещества эквивалентов соответственно кислоты (НCl) и основания (NaOH), тогда справедливы формулы (2.6.3) и (2.6.4):

(2.6.3)

, (2.6.4)

где – изменение рН при добавлении данного количества кислоты или основания;

1000 – коэффициент пересчета для того случая, когда буферная емкость измеряется в ммоль экв./л.

Вычислить [Н + ], [ОН — ] и рН раствора, образовавшегося в результате смешивания 30 мл 0,1 М раствора уксусной кислоты СН₃СООН и 50 мл 0,3 М раствора ацетата калия СН₃СООК.

Объем образовавшегося раствора V= 30+50=80 мл.

Концентрации уксусной кислоты и ацетата калия после смешивания:

[СН₃СООН] =моль/л,

[СН₃СООК] = моль/л.

Так как катионы водорода образуются только за счет диссоциации уксусной кислоты, а ацетат анионы также и за счет диссоциации ацетата калия, то, принимая за Х количество продиссоциировавшей кислоты, получим:

Выражение для константы диссоциации уксусной кислоты:

Так как Х + ] = 1,75·10 -5 ·0,0375 : 0,188= 3,5·10 -6 моль/л;

[OH — ] = 10 -14 : 3,5·10 -6 =2,9·10 -9 моль/л;

Такой же результат может быть получен, если воспользоваться формулой (2.6.1):

рН = рК_НА — lg = — lg (1,74·10 -5 ) — lg = 4,76 – (-0,7) = 5,46.

Определить рН раствора, получившегося в результате смешения равных объемов 0,12 М растворов СН₃СООН и СН₃СООК.

После смешения С_кис= С_соль= 0,12/2=0,06 моль/л

рН = рК_НА — lg = -lg(1,74·10 -5 ) — lg = 4,76 – lg1 = 4,76 — 0 = 4,76.

Сколько миллилитров 0,25М раствора ацетата калия СН₃СООК следует прибавить к 50 мл 1,0М раствора уксусной кислоты СН₃СООН, чтобы получить буферную систему с рН=3?

Воспользуемся формулой (2.6.1):

рН = рК_НА — lg;

lg = рК_НА – рН = 4,76 — 3=1,76;

= 10 1,76 = 57,5

Это означает, что после смешения в полученном растворе концентрация кислоты в 57,5 раза должна быть выше, чем концентрация соли. В растворе кислоты содержится 0,05·1,0=0,05 моль кислоты. Следовательно, количество вещества соли в этом растворе должно быть в 57,5 раза меньше, а именно 0,05:57,5=0,00087 моль.

Найдем объем 0,25 М раствора ацетата калия:

Буферная система, состоящая из дигидрофосфата калия КН₂РО₄ и гидрофосфата калия К₂НРО₄ приготовлена при мольном соотношении солей 16:1. Определить рН данного раствора.

В данном случае роль слабой кислоты играет анион Н₂РО₄ – (К₂= 6,2·10 -8 или рК = 7,2).

рН = рК_НА – lg,

рН = 7,2 – lg16= 6,0

Вычислить рН буферного раствора, содержащего 0,2 моль NH₄Cl и 0,2 моль NH₄ОН.

В соответствии с формулой (2.6.2), рН=14 — рК_ВОН + lg.

Так как рК(NH₄ОН) = 4,755, то рН= 14 — 4,755 + lg= 9,25.

К 100 мл 0,5 М раствора НСООNa прилили 440 мл 0,1 М раствора НСООН. Рассчитать буферную емкость по кислоте и по основанию для образовавшегося раствора с рН=3,8.

Рассчитаем буферную емкость по кислоте, то есть, сколько моль эквивалентов соляной кислоты нужно прибавить к 1 л буфера, чтобы понизить его рН на единицу.

Вычислим концентрации муравьиной кислоты и формиата натрия в буферном растворе.

Пусть х – число моль эквивалентов соляной кислоты, прибавленных к одному литру буфера для уменьшения рН на единицу, то есть буферная емкость.

При добавлении соляной кислоты протекает реакция:

HCOONa + HCl = HCOOH + NaCl

Тогда концентрация муравьиной кислоты возрастет на х моль/л и станет равной (0,0018+х) моль/л, а концентрация формиата натрия уменьшится на х моль/л и станет равной (0,0014 – х) моль/л, при этом рН понизится до 2,8.

С учетом уравнения (2.6.1), запишем:

.

Из данного выражения можно найти буферную емкость, обозначенную переменной х. Буферная емкость по кислоте равна 0,075 моль/л.

Рассчитаем буферную емкость по основанию. Пусть у – буферная емкость по основанию.

При добавлении основания протекает реакция:

Тогда при добавлении гидроксида натрия концентрация муравьиной кислоты уменьшится на у моль/л, а концентрация формиата натрия увеличится на у моль/л, при этом водородный показатель буфера возрастет на единицу и станет равным 4,8.

В соответствии с уравнением (2.6.1), запишем:

.

Решая это уравнение относительно у, получаем у=0,067 моль/л. Итак, буферная емкость по основанию равна 0,067 моль/л.

Источник