что такое буферы в химии
Введение в метрологию. Единство измерений. Контроль качества измерений. Аналитические технологии.в КЛД
Растворы
1. Концентрации раствора
Концентрацию растворов можно выражать следующими способами:
1. Процентная концентрация по массе (ω, %) — число единиц массы (например, число граммов) растворенного вещества (mр.в.), содержащихся в 100 единицах массы (например, в 100 граммах) раствора (mр-ра):
ω= (mр.в.·100%)/mр-ра.
Например, 15% раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 г которого содержится 15 г NaCl и 85 г воды.
2. Молярность(См) — число моль (n) растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:
С м = n/V.
3. Молярная концентрация эквивалента (нормальность)(СН):— число моль эквивалентов (nэкв) 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(Сm) — 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(Ni) — 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:
СН1V1= СН2V2,
где СН1, СН2 – 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.
m растворенного компонента
Для еще более разбавленных растворов или более низких содержаний компонента результаты чаще представляют числом частей на мллиард:
m растворенного компонента
При еще меньших содержаниях компонента, оперируют триллионными долями:
Буферный раствор – химический реактив с постоянным pH
Буферный раствор – химический реактив с постоянным pH
Лабораторная посуда, лабораторное оборудование, приборы и химические 
вещества это четыре главных составляющих любой современной лаборатории независимо от ее специализации. В зависимости от назначений лабораторные изделия – посуда, оборудование, приборы изготавливаются из различных материалов: пластика, фарфора, кварцевого, боросиликатного, лабораторного стекла и др.. Дело лишь в цене и качестве. Химические реактивы в списке лабораторного оснащения занимают особое место – без них невозможно провести даже самый простой анализ, исследование, эксперимент.
В практике проведения лабораторных работ сотрудники часто сталкиваются с такими химическими растворами, которые имеют или должны обладать определенным показателем величины pH. Именно для этих целей изготавливают специальные буферные растворы.
Что представляет собой данный раствор?
Буферные растворы – химические реактивы с определенным стабильным показателем концентрации водородных ионов; смесь слабо концентрированной кислоты и ее соли. Данные растворы практически не изменяют свою структуру при концентрировании, разбавлении ее другими химическими реагентами или при добавлении в него в малом количестве высококонцентрированных щелочей или кислот. Чтобы получить буферный раствор с различным показателем pH, необходимо изменять концентрацию и соотношение используемых химических растворов.
Данный химический реактив способен сохранять определенный показатель pH до определенного уровня, в зависимости от конкретного количества агрессивных сред, щелочей и кислот. У каждой буферной смеси есть определенная буферная вместимость – эквивалентное соотношение количества элементов щелочи и кислоты.
К сожалению, сами кислоты и щелочи нельзя отнести к буферным смесям, так как при разбавлении их с водой уровень pH данных агрессивных сред изменяется.
В лабораторной практике применима и калибровочная буферная смесь. Она предназначена для настройки точности показателей приборов, которые применяются для определения уровня кислоты жидких веществ – активность в различных средах ионов водорода.
Для работы как в лабораторных условиях, так и в частной практике, рекомендуется использование буферных смесей высокой стабильности, приготовленные в специализированных лабораториях с использованием лабораторной посуды из стекла на специальном лабораторном оборудовании и приборах. Самостоятельное приготовление данного химического реактива может быть получено с большой погрешностью.
Из чего состоит буферный раствор?
В состав этого химического реактива входит вода – растворитель и в равной степени 
растворенные ионы или молекулы веществ, которые составляют кислотно-щелочную или щелочно-кислотную буферную систему. Буферная система – это взаимодействие слабоконцентрированной кислоты с одной из ее солей.
Такие химические реактивы вместе с современным лабораторным оборудованием и приборами нашли широкое применение в исследованиях аналитической химии, биологии и микробиологии, генетике, медицине, фармацевтике, исследовательских центрах и других научных областях.
Важность буферного раствора для человека
Естественная буферная смесь очень важна и для нормальной жизнедеятельности организма, так как благодаря ей поддерживается постоянный уровень pH биологических жидкостей тканей, органов, лимфы и крови.
Хранить данный химический реактив необходимо в герметически закрытой емкости (стеклянных или пластиковых флаконах).
Где приобрести лабораторное оснащение высокого качества по доступной цене?
Химреактивы, приборы, оборудование, лабораторную посуду купить в Москве выгодно в современном специализированном магазине химических реактивов Москва розница и опт «Прайм Кемикалс Групп». Именно здесь Вы найдете широкий ассортимент товаров высокого качества от известных торговых марок по приемлемым ценам. Также у нас возможна доставка как по городу, так и по области.
“Prime Chemicals Group” –лабораторное оснащение от перчаток смотровых до весов электронных лабораторных со знаком качества.
Введение в метрологию. Единство измерений. Контроль качества измерений. Аналитические технологии.в КЛД
Растворы
1. Концентрации раствора
Концентрацию растворов можно выражать следующими способами:
1. Процентная концентрация по массе (ω, %) — число единиц массы (например, число граммов) растворенного вещества (mр.в.), содержащихся в 100 единицах массы (например, в 100 граммах) раствора (mр-ра):
ω= (mр.в.·100%)/mр-ра.
Например, 15% раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 г которого содержится 15 г NaCl и 85 г воды.
2. Молярность(См) — число моль (n) растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:
С м = n/V.
3. Молярная концентрация эквивалента (нормальность)(СН):— число моль эквивалентов (nэкв) 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(Сm) — 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(Ni) — 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:
СН1V1= СН2V2,
где СН1, СН2 – 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.
m растворенного компонента
Для еще более разбавленных растворов или более низких содержаний компонента результаты чаще представляют числом частей на мллиард:
m растворенного компонента
При еще меньших содержаниях компонента, оперируют триллионными долями:
Тема 7. Буферные растворы.
Предисловие.
Будучи огорчен качеством преподавания химии в РНИИМУ, и тем более, способом последующего контроля качества образования – тестами, я решил оказать посильную помощь студентам в сдаче оных. Пособие представляет собой краткую, насколько возможно, инструкцию, как минимально загрузив голову таки сдать этот окаянный тест. Я исследовал большое их количество, обобщил результаты.
На каждый вид вопросов я постарался дать ответ, в меру научный, чтобы все-таки не слишком уйти от своих химических корней, но и достаточно ясный, чтобы он мог быть воспринят среднестатистическим студентом. Теперь я представляю свой труд для использования широкой общественностью, надеюсь, моё творение сможет послужить к чьей-нибудь пользе.
Тема несложная, и, что важно, она опирается на простую и красивую теорию. Очень рекомендуем вникнуть в теоретическое описание, приведённое перед разборами вопросов. На этот раз оно получилось кратким, содержательным и, хотелось бы надеяться, понятным. Тема имеет связи с настоящей медициной, еще и поэтому рекомендуется к подробнейшему изучению.
Конечно, многим хотелось бы иметь готовые ответы и не париться. Думаю, что за годы работы eois общественность накопила некоторый объем ответов, он постепенно совершенствуется, доля верных ответов растет, уже в 2016 она была больше 70%. Правда, обновление вопросов в 2017 добавило веселья. Однако, в отношении химии мне это кажется неудачным путем. Объясню, почему я так считаю. Во-первых, вопросов большое количество, и они, как назло, очень похожи. Это делает трудным списывание с правильных ответов, и, одновременно, делает тесты уязвимыми к методичкам вот такого плана, с разбором вопросов на группы и злой иронией по этому поводу. Во-вторых, некоторые персонажи, как Карина, например, почему-то борются со списыванием, что делает этот процесс не самым простым трюком. А глядя на всё это глобально, по-моему, все же лучше что-то понимать и мыслить, чем списывать.
Заранее благодарен за адекватные комментарии, дополнения и исправления к тексту. Текст создан исключительно из гуманных соображений и распространяется безвозмездно.
Удачи, ни пуха, ни пера, дорогие любители химии.
Алексей «Леша-химик» Федоров
Тема 7. Буферные растворы.
Тема, как мы уже заметили, устроена очень красиво. Будет много проще, если Вы поймете эту красоту, тогда не будет нужды (она всё равно будет) в делении на вопросы, каких-то хитростях, и тому подобной хуите. Если теория — это не ваше, можете спокойно дропнуть этот раздел (только таблица обязательно нужна), в вопросах тоже есть всё нужное, чтобы еле-еле пройти порог. Так что мы настоятельно рекомендуем остаться с нами.
Итак, буферные растворы. Скорее всего, вы знаете, что в человеческом желудке сильнокислая среда, и нужно это затем, чтобы расщеплять белки до аминокислот. Но, что если человек выпьет три литра воды? Кислота разбавится, да еще и всё это стечет в кишечник, а там среда щелочная, в итоге все нейтрализуется, человек не сможет усваивать ни белки, ни углеводы, и всё пойдёт по пизде, и подопытный сдохнет? Однако, точно известно, что три литра воды к смерти не приводит, хотя и весёлого мало. Желающие идут проверять, остальные продолжают курить теорию вместе с нами.
Буферный раствор — раствор, поддерживающий рН (кислотность, короче) постоянным при добавлении кислот и щелочей в небольших количествах и разбавлении. Организм человека — почти сплошные Буферные растворы. Оговоримся: у буферного раствора есть ёмкость, при которой он может поддерживать рН относительно постоянным. Бесконечное количество кислоты или щелочи, конечено, ни один буферный раствор не нейтрализует.
К таблице мы ещё вернемся чуть позже. А сейчас фишка БР-ов.
1) Если к нему добавили сильную кислоту, например HCl. Так как в БР есть основание (сопряженное), оно будет её нейтрализовывать.
А если сократить хлорид
Или, сократив одинаковое
В рот мне ноги, это же сопряжённое основание. Охренеть, из сопряженной кислоты получилось сопряженное основание! А щелочь нейтрализовалась. Сами Гендерсон и Гассельбах охренели бы от такого поворота. А рН остается примерно постоянным. Этот мелкий засранец снова выкрутился. Вот же ж!
Подобные реакции могут быть написаны для любого другого БР и называются механизмами буферного действия. Хотя напрямую это не касается тестов, это может быть в колке, если он будет устным, и, кроме того, половина вопросов тестов как бы подразумевает, что механизм работы БР понятен.
Квадратные скобки в записях означают концентрации, однако в принципе на это можно класть хер и подставлять моли, результат всё равно будет верным.
В конце списка лежат аминокислотные буферные системы. Аминокислоты это — глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, цистеин, метионин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, лизин и аргигнин, глутамин и аспарагин, фенилаланин и тирозин, гистидин и триптофан, пролин. Формулы не приводим за ненадобностью. Вам их всё равно скоро учить. Внимательно рассмотрите их, поймите, чем отличаются анионная/диполярная/катионная формы. Там выделено красным. Запомните, что у анионной рКа2, у катионной рКа1, объяснить это сложно, стоит запомнить.
1. Типы буферных систем.
На первый взгляд путано, фактически несложно…
Как с этим бороться:
Всегда в наборе есть
1) Слабая кислота и её анион. Вспомните прошлую тему, найдите, какие кислоты слабые. Здесь то же самое. Чаще всего это что-то-СООН, но не обязательно. В примере это внезапно СО2, потому что обратимо превращается в Н2СО3 в растворе. Ориентир — один минус.
2) Слабое основание и его катион. См. прошлую тему про слабые основания. Чаще всего это амины и аммиак, что-то типа что-то там такое R-NHy. Катион — это один полюс.
2. Аминокислотные буфера.
Как с этим бороться:
Очень легкая задача. Сравниваем рН с рI. Если рН
pI, то в анионной и диполярной. Да, всё так просто. Нет, это не наёбка. Нет, ошибки в том, что диполярная использована два раза, нет, так и должно быть, см. таблицу. Осторожно! Во избежания повреждения мозга о том, что такое рI, задумываться не надо!
Как с этим бороться:
Например, может быть какая-то хрень нетабличная, NaHS+Na2S. Если подумать, то можно догадаться, что первое — кислота, второе — основание. Если сравнить с карбонтаной и гидрокарбонатной системой, можно догадаться, что тут нужна рКа2. Итого:
Самое жопошное — аминокислоты. Выучите или запишите, где рКа1, где рКа2, там это нельзя вывести. В примере ответ В.
4. Интервал буферного действия.
Как с этим бороться:
Тоже очень просто. Интервал буферного действия это область рН от рКа-1 до рКа+1. Например, если рКа=4,75, то интервал равен от 3,75 до 5,75. Подвох в том, что констант может быть дано несколько. Использовать надо ту же самую, по которой считали рН. Ту же самую, которая рКа кислоты в БР. Найти её можно в таблице. Например, если дана карбонатная буферная система (состоит из NaHCO3+Na2CO3), то её рН считается по рКа2 (см. таблицу БР) и следовательно, интервал тоже по ней же. В примере если в БР есть анионная форма, то рН считают по рКа2, следовательно интервал А.
5. Соотношение компонентов, рН и рКа.
Как с этим бороться:
Всего возможно три случая.
1) рН > pKa, тогда сопряженного основания больше, чем кислоты. Может быть, 10:1, а может просто c(CH3COOK) > c(CH3COOH).
С учетом добавления щелочи
Всё подставляем прямо, как есть переводить ничего никуда не нужно, прям хуярим моли:
Дальнейшие расчеты как в прошлой задаче, сначала под логарифмом, потом сам логарифм, потом всё остальное. Не приводим ввиду очевидности. Ответ рН=7,0, с точностью до десятых.
2) Добавили кислоту, например HCl. Всё то же самое, но формула:
Пример не приводим, он аналогичен прошлой задаче.
9. Задача про буферную ёмкость, Вк или Вщ.
Как с этим бороться:
Тоже по формулам, как ни странно. Буферная ёмкость определение можно посмотреть в методичке с САРСами, а формула:
Тут надо немного прокомментировать. Вк — буферная ёмкость по кислоте. Бывает еще и по щелочи, Вщ, считается почти так же. Ск и Vк — концентрация и объем добавленной кислоты (если считаем ёмкость по щелочи, то исправляем на щелочь). VБР — объем буферного раствора, ΔрН — изменение рН при добавлении кислоты или щелочи. Тонкость в том, что при добавлении щелочи рН увеличивется, а кислоты уменьшается. Чтобы не получить отрицательную ёмкость, правильнее писать
ёмкость по кислоте:
ёмкость по щелочи: 
Вертикальные черты читаются как «модуль», это математический оператор, который убирает минус, если он есть.
Первая задача из скрина: всё подставить, посчитать, получить ответ. Заметьте, что концентрация в «М», то есть «моль/л», а ёмкость просят в «ммоль/л», то есть милимоль. Коварные, коварные. Перевод делается умножением на 1000. Получается
Прикиньте, какая фигня может привести к потере бала? EOIS же похер, что вы считаете правильно, но не видите перевод.
Вторая задача уже сложнее, там выводить надо. Вывод, не вдаваясь в тонкости, делается простой перестановкой.
10. Норма, ацидоз, алкалоз.
Как с этим бороться:
Норма — рН от 7,36 до 7,43.
Ацидоз — рН меньше 7,36
Алкалоз — рН больше 7,43
Больше нечего сказать.
11. Буферные системы крови.
Наконец-то что-то медицинское…
Как с этим бороться:
Буферные системы крови:
Аж три ответа, B, C, D.
Как с этим бороться:
Смиритесь, несчастные, химическая теория это не ваше. Никак, с этим невозможно ничего сделать. Нет, это не шутка. Поэтому мы просто приводим правильные ответы.
· рН буферного раствора зависит не только от соотношения концентраций сильного и слабого электролита в буферной системе, но и от константы диссоциации кислоты.
· Роль сопряженной кислоты в гидрокарбонатной буферной системе в условиях организма выполняет растворенный СО2
· Гидрокарбонатная буферная система состоит из слабой кислоты и ее аниона
· Анионная форма аминокислоты — частица, в виде которой аминокислота существует в растворах при рН >> pI
· Буферная емкость зависит от суммарной концентрации компонентов буферной системы в растворе
· Диполярный ион — частица, несущая две разноименно заряженных группы атомов
· Ацидоз — нарушение кислотно-основного состояния организма, обусловленное повышенным пониженным значением рН плазмы крови,
· Роль сопряженного основания в карбонатной буферной системе выполняет карбонат-ион
· Ацидоз — патологическое состояние, связанное с пониженной повышенной концентрацией ионов водорода
· Буферная емкость буферных систем организма по кислоте больше, чем по щелочи
· Изоэлектрическая точка α-аминокислоты не зависит от концентрации кислоты в растворе
· Ионы HCO3 – и HPO4 2– НЕ являются диполярными ионами
· Роль сопряженного основания в гидрокарбонатной буферной системе выполняет гидрокарбонат-ион
· Уравнение Гендерсона-Гассельбаха – уравнение, характеризующее зависимость рН буферного раствора только от концентрации от соотношения концентраций слабого электролита и его сопряженной кислоты (основания)
· Буферная емкость — количество кислоты или щелочи, которые нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы значение его рН изменилось на единицу
· Изоэлектрическая точка – это значение рН раствора, при котором амфолит электронейтрален
· Буферный раствор способен поддерживать практически постоянное значение рН при разбавлении или при добавлении НЕ(!)больших количеств кислоты или щелочи
· Диполярная форма аминокислоты может выступать как в роли кислоты, так и в роли основания
· Изоэлектрическая точка α-аминокислоты НЕ(!)зависит от концентрации кислоты в растворе
· При добавлении к буферной системе щелочи ее буферная емкость по кислоте может увеличиться (в смысле «может»? увеличится)
· Интервал буферного действия определяется как рKа ± 1
· Ацидоз Алкалоз – нарушение кислотно-основного состояния организма, обусловленное повышением рН,
· Катионная форма аминокислоты — частица, в виде которой аминокислота существовует в растворах с рН