Упражнения и задачи для самостоятельного решения. 1. Дайте определения понятиям «идеальный» и «реальный» растворы, «активность», «ионная сила», «коэффициент активности иона»

1. Дайте определения понятиям «идеальный» и «реальный» растворы, «активность», «ионная сила», «коэффициент активности иона».

2. Рассчитайте [Н₃О ⁺], [ОН ^–], а(Н₃О⁺), а(ОН^–) и рН:

а) 0,01 М. раствора НС1,

б) раствора Н₂SО₄ с концентрацией С[0,5Н₂SO₄ ] = 0,01 моль/л;

в) 0,2 М раствора КОН;

г ) раствора Ва(ОН)₂. с концентрацией С[0,5 Ва(ОН)₂]= 0,1моль/л.

Ответ:

а) [H₃O⁺]=0,01моль/л; [OH^–]=10^-12моль/л;a(H₃O⁺)=9,2∙10^–3моль/л;

a(OH^–)=1,1 ∙10^–12моль/л; pH = 2,04.

б) [H₃O⁺]=10^–2моль/л; a(H₃O⁺)=9,210^–3моль/л; [OH^–]=10^–12моль/л;

a(OH^–) = 1,1 ∙10^–12 моль/л; pH = 2,04.

в) [OH^–]=0,2моль/л; a(OH^–)=0,136моль/л;

[Н₃О⁺]=5∙10^–14моль/л; a(H₃O⁺)=7,4∙10^-14моль/л; pH = 13,13.

г) [OH^–]=0,1моль/л; a(OH^–)=0,072моль/л; [H₃O⁺]=10^–13моль/л;

a(H₃O⁺) =1,39∙10^–13 моль/л; pH = 12,86.

3. Рассчитайте молярную концентрацию:

а) раствора HBr, если рН раствора равно 1,65.

б) раствора NaOH, если рН раствора равно11,26.

Ответ: а)c(HBr)= 0,022моль/л; б)c(NaOH)=0,0018 моль/л

4. Вычислите с учётом коэффициентов активности ионов рН вод­ного

раствора, содержащего гидроксид натрия [w(NaOH)= 0,05%] и хлорид натрия [w(NaCl)= 0,2%], если плотность раствора равна 1,02г/мл.

Ответ: рН=12,03.

5. Рассчитайте рН раствора, содержащего в 2,5л одновременно

0,0032 моль HNO₃ и 0,0083 моль H₂SO₄. Ответ: рН = 2,14.

6. Вычислите рН конечного водного раствора, полученного при смешении 20 мл 0,1 М НС1 и 20 мл О,2М KOH с последующим разбавлением водой до объёма 1л.

Ответ: рН = 11,3.

БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ

Основные понятия

В самом широком смысле буферными называются системы, поддерживающие определённое значение какого-либо параметра при изменении состава. Буферные растворы могут быть кислотно-основными — поддерживающими постоянное значение рН при введении кислот или оснований; окислительно-восстановительными, сохраняющими постоянным потенциал систем при введении окислителей или восстановителей и др.

Кислотно-основной буферный раствор представляет собой сопряжённую кислотно-основную пару.

Основные типы буферных водных растворов:

1. Слабая кислота и её анион.

2. Слабое основание и его катион.

3. Анионы средней и кислой соли; анионы двух кисдлых солей.

4. Ионы и молекулы амфолитов (аминокислотные и белковые системы).

Например, ацетатный буферный раствор состоит из СН₃СООН и сопряжённого с ней основания СН₃СОО^–, гидрокарбонатный —из НСО₃^-и СО₂∙Н₂О,аммонийный — из аммиака NH₃ и сопряжённой с ним кислоты NH₄⁺,фосфатный— из кислоты H₂PO₄^– и сопряжённой с ней HPO₄^2–. В растворе, содержащем сопряжённую пару, устанавливаются равновесия.

Например, для ацетатного буфера:

СН₃СООН + Н₂О = Н₃О⁺ + СН₃СОО^– (1)

СН₃СОО^– + Н₂О = СН₃СООН + ОН^– (2)

Оба равновесия сильно сдвинуты влево, поскольку в растворе находятся достаточные количества как кислоты CH₃COOH, так и основания CH₃COO^–. Константа равновесия (1) является константой кислотности CH₃COOH:

рН буферного раствора рассчитывается по уравнению Гендерсона—Хассельбаха:

рН = рКа + lg а_{(буф.осн.)} / а_{(буф.к-та)}

Так, для ацетатного буферного раствора уравнение имеет вид:

рКа — константа кислотности уксусной кислоты, а(CH₃COO^–) —активность буферного основания, а(CH₃COOH)— активность буферной кислоты

Для аммиачного буфера:

рКа — константа кислотности буферной кислоты NH₄⁺, a(NH₃) — активность буферного основания, a(NH₄⁺) — активность буферной кислоты.

При малой ионной силе вместо активностей можно использовать концентрации:

Для гидрокарбонатного буфера:

Буферные системы на основе глицина. Если раствор аминокислоты находится в иоэлектрическом состоянии (суммарный заряд молекулы равен нулю), он не является буферным. Буферное действие появляется, когда к раствору добавляют некоторое количество кислоты или щёлочи. Устанавливаются следующие равновесия:

Уравнение Гендерсона—Хассельбаха для первого равновесия:

Для второго равновесия:

где pKa₁ = 2,43 и pKa₂ = 9,63

При изучении метаболических процессов in vitro приходится использовать «нефизиологические» буферные растворы для направленного изменения рН, что позволяет значительно облегчить изучение таких типов молекул, как аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты с помощью электрофореза и иннообменной хроматографии.

Основные требования к буферным системам, применяемым для биологических исследований:

–обладать высокой степенью чистоты.

–обладать достаточной буферной ёмкостью в требуемом диапазоне рН.

–хорошо растворятьсяч в воде и не проникать через биологические мембраны.

–рН буферных растворов должна иметь минимальную зависимость от концентрации теп\мпературы и ионного состава среды.

–комплексы буфера с катионами должны быть растворимыми.

–буферы должны быть устойчивы к действию ферментов не оказывать токситческого или ингибирующего действия.

Поддержание стабильного рН культуральных сред обеспечивается чаще всего тремя возможными буферными системами: гидрокарбонатным, фосфатным, HEPES. В последнее время для биологических исследований широко используется буферный агент HEPES (— 4–(2–hydroxyethyl)–1–piperazineethanesulfonic acid) Среды на основе HEPES способны к поддержанию рН на уровне 7,3–7,5 в условиях атмосферного газового состава при 37^оС для биологических исследований вне инкубатора.