Буферні розчини – механізм дії та принципи застосування

Буферні розчини мають неабияке значення у функціонуванні різних галузей. Вони є важливими компонентами сучасної хімії, біохімії, медицини та інших наук. Використовуються в харчовому, фармацевтичному, косметичному та ін. напрямках промисловості. Їхня роль зосереджується на здатності стабілізувати кислотність середовища у системах, що зазнають впливу зовнішніх факторів. Зокрема в хімічному сегменті вони таким чином допомагають проводити точні аналізи, у біохімічному забезпечують стабільні умови для виконання ферментами їхніх функцій, а в медичному сприяють стабільності біологічних систем.

У цій статті ми детально розглянемо, що називають буферними розчинами, які вони бувають та як працюють. Поговоримо про суть їхньої дії та принципи застосування у різних галузях, а також про особливості забезпечення стабільності систем за різних умов. Якщо готові, можемо починати.

Що таке буферні розчини?

Буферними розчинами (буферами, БР) іменуються такі р-чини, у складі яких присутня одна або декілька буферних систем/сумішей (слабкі кислоти або основи разом з їхніми солями, утвореними, відповідно, сильною основою чи кислотою). Головна функція, а відтак і мета застосування, полягає у здатності водного розчину утримувати сталий рівень водневого показника при додаванні кислот або лугів, а також при розбавленні та концентруванні.

Іноді поняття «буферний розчин» наділяють ширшим діапазоном значення, підтягуючи під нього матеріали з будь-яким сталим параметром, як от оксредпотенціалом, активністю Са-іонів тощо, котрий практично не зазнає змін при неістотних відмінностях у складі системи, до прикладу, в процесі концентрування, розбавлення чи введення незначних обсягів сторонніх сполук. Досягнення стабільності реалізується завдяки перебуванню компонентів системи у стані хім. рівноваги.

Як працюють буферні розчини?

Базування механізму дії буферних розчинів відбувається на принципі хімічного балансу двох сполук: однієї, що перешкоджає зменшенню концентрації іонів, другої – котра не допускає її збільшення. При цьому вони не мають нейтралізувати одна одну. Наприклад, у кислотному буфері, якщо взяти слабку кислоту, то вона нейтралізує доданий луг, а її кон’югована основа нейтралізує додану кислоту. Це дозволяє зберігати рівень кислотності у вузьких межах. У процесі додавання сторонніх речовин буфер виконує роль своєрідного амортизатора, запобігаючи значним коливанням водневого показника. Такий механізм забезпечує стабільні умови, необхідні для проведення хімічних реакцій або функціонування біологічних систем. Ці дві оборотні реакції є запорукою буферних властивостей розчину:

1. Несуттєва залежність такого параметра, як концентрація іонів гідрогену буферних сумішей, від розбавлення.
2. Мала зміна кислотності розчину при внесенні у буферну суміш невеликої кількості (у рамках буферної ємності) кислоти/лугу.
3. Основування величини буферної ємності на концентраціях та співвідношеннях компонентів суміші.

Зверніть увагу, що буферна система має певні обмеження. Передусім кислотна складова у ній не повинна бути надто сильною (з рКа менше, ніж 3) або надмірно слабкою (з рКа більше, ніж 11). У першому випадку неможливо нехтувати дисоціацією кислот, а в другому – тим, що солям характерний гідроліз, який слідує за сильно спряженою основою.

Регуляція pH за допомогою буферів

Буфери ефективно регулюють рівень pH, запобігаючи його змінам. Спроможність впевнено зберігати сталість кислотності (протидіяти зміщенню її значень) носить назву буферної дії й вимірюється буферною ємністю. Це кількісна характеристика кислотно-основних БР, що має на увазі число молей сильної кислоти/основи, яке слід внести в 1 кубічний дециметр розчину, аби модифікувати його значення рН на одиницю. Зростання буферної ємності відбувається зі збільшенням концентрацій складників БР. Максимум (найвища ефективність буферів) досягається при їх рівності. Інтервал водневого показника, близький до 1, з підтримкою сталого значення pH називається межею буферування. Якщо ж співвідношення компонентів більше, ніж 10:1, або менше, ніж 1:10, придатність буферів до застосування нівелюється.

Поширена помилка – вважати, що БР спроможні підтримувати абсолютну сталість параметрів кислотності-лужності. Це не так. Зміни в будь-якому випадку відбуваються, проте з буферними розчинами вони вкрай несуттєві. Наведемо приклад. Якщо в один літр чистої води внести соляну кислоту (0,01 моль), то водневий показник зміниться аж на 5 одиниць – з 7 до 2. Якщо ж взяти ту ж кислоту й у таких же об’ємах й добавити її до 1 л буферного розчину, відбудеться зовсім незначний зсув pH – на 0,1 значення.

Приклади буферних систем

Буферні системи із врахуванням діапазону pH бувають:

• кислотними (слабка кислота + її сіль із сильної основи). Приклади: ацетатна, форміатна, гідрофосфатна, гідрокарбонатна, гемоглобінова, оксигемоглобінова. Що стосується ацетатного БР, то він містить слабку оцтову кислоту й ацетат натрію. Гідрогенкарбонатний є нічим іншим як комплексом вугільної кислоти і гідрокарбонату натрію, а форміатний – мурашиної кислоти й форміату натрію;
• основними (слабка основа + її сіль, утворювана сильною к-тою). Це передусім аміачний буфер, що складається зі слабкої основи гідроксиду амонію й хлориду амонію;
• амфолітними (розчини амінокислот/білків). Амінокислоти і білки – це амфоліти, тому що вони містять групи, що є донорами та акцепторами протонів. У водних розчинах вони є внутрішніми солями (цвітер-іонами). Залежно від складу активних компонентів, такі БР сприяють утворенню як кислотного, так і основного середовища.

Популярністю користуються БС, основані солями багатоосновних кислот, як от фосфатний (натрію дигідрофосфат + гідрофосфат) та карбонатний (гідрокарбонат + карбонат натрію) буфери. Також можуть застосовуватися суміші, що містять сильну/слабку кислоту (кислотний елемент) і гліцин/луг (основний компонент), зокрема лимонну кислоту та луг.

Розгляньмо дію буферних систем на основі прикладу, який містить слабку кислоту (оцтову, СН₃СООН) та її сіль (ацетат натрію, CH₃COONa). Як було зазначено, це кислотна БС. Її сильний електроліт (сіль) у водному р-чині підлягає повному розпаданню на іони, а слабкий (к-та) – лише частковому. Дисоціація оцтової кислоти в присутності ацетат-іонів зазнає пригнічення. Якщо в БС внести небагато сильної кислоти, то її іони водню, що могли б змінити pH, будуть зв’язані ацетат-іонами в малодисоціюючу оцтову кислоту практично без порушення водневого балансу в розчині, зі збереженням постійності pH. Якщо ж додати трохи лугу, то зв’язування її гідроксид-іонів буде лежати на кислоті, при цьому утвориться вода, кислотність теж майже не зміниться.

Зауважимо, що буферна система може містити одну речовину: водний розчин гідротартрату калію (pH 3,567 при 25 ℃), гідрофталату калію (pH 4,008 при 25 ℃) або тетраборату натрію (pH 9,18 при 25 ℃ та 9,07 при 38 ℃, відповідно). А може представляти суміш речовин, як от гідроксиду натрію та гідрофталату калію (підтримка pH в інтервалі 4-6,2), однозаміщеного ортофосфату К і двозаміщеного ортофосфату Na (4,8-8), етанової кислоти й ацетату натрію (3,8-6,3).

Приклад універсальної буферної суміші: розчини ортофосфорної, оцтової і борної кислот + розчин натрій гідроксиду (підтримка pH у широкому діапазоні 1,81-11,98).

Конкретний БР обирається на основі необхідного діапазону pH, що визначається константами дисоціації кислоти/основи та взаємовідношенням складників буферної системи. Підтримка постійного заданого значення водневого показника забезпечується змішуванням точно розрахованих обсягів компонентів.

Класифікація буферних розчинів

БР можна класифікувати за такими критеріями:

• за природою головних компонентів: кислотні, що є поєднанням слабкої кислоти та її солі, й основні, котрі мають у своєму складі слабку основу та її сіль;
• за рівнем pH: слабкокислі (з pH нижче 7), нейтральні (з pH близько 7) та слабколужні (з pH вище 7);
• за сферою застосування: біологічні, хімічні та технічні буфери, кожен з яких має свої специфічні особливості та завдання.

Розуміння класифікацій так само, як і механізму дії, важливе для правильності й успішності використання у тому чи іншому напрямку.

Застосування буферних розчинів у різних сферах

БР знаходять широке застосування у цілій низці сфер. Те, що вони здатні забезпечити ефективну регуляцію значень кислотності-лужності, важливо для багатьох процесів. З-поміж основних сегментів виділимо такі:

• біохімія та медицина. Використання буферів для аналізу крові та тканин, стабілізації біологічних препаратів. Наприклад, буферні системи, зокрема гліцин-буфер, використовуються для зберігання ферментів (забезпечення їх нормального функціонування), а ще антитіл і вакцин, з метою стабілізації середовища для хім. реакцій при роботі з ферментами та білками. Вони є важливими учасниками багатьох біохімічних та медичних процесів, оскільки працюють на збереження стабільного рівня pH за умови додавання зовнішніх кислот чи основ. Також вводяться пацієнтам у важкому стані внутрішньовенно;
• хімія. Регуляція реакційного середовища для синтезу речовин, забезпечення оптимальних умов для хімічних аналізів та експериментів. Використання для підтримки точності й стабільності кислотності середовища, де здійснюються хім. реакції, у хімічних, біологічних та медичних лабораторіях. Так, окисно-відновні БР (до прикладу, основані на солях феруму) задіюються для утворення і збереження окисно-відновного потенціалу, кальцієвий (з дигліколяту натрію і кальцію або із натрієвої та кальцієвої солей НТА) – для утворення і збереження активності катіонів Ca;
• промисловість. Використання у фармацевтиці, харчовій та косметичній галузях. Наприклад, у харчовій промисловості буферні системи допомагають зберегти смак та якість продуктів, у фармацевтичній – подовжити термін придатності ліків, а в косметичній – засобів для догляду за шкірою та волоссям. Ацетатний, фосфатний, цитратний, аміачний та інші буфери стабілізують активи й запобігають руйнуванню компонентів препаратів та косметики. Плюс приходять на допомогу, коли потрібно визначити значення pH харчових, фармацевтичних чи косметичних продуктів;
• гальваніка. Залучаються для електролітичних ванн, позаяк запобігають пришвидшеним та критичним змінам рівня кислотності у біляелектродній ділянці;
• pH-метрія. Слугують розчинами для калібрування і обслуговування pH-метрів, датчиків (електродів) для вимірювання водневого показника;
• іонометрія. Мета застосування буферів – сприяння утворенню загальної іонної сили розчину;
• екологія. БР застосовуються для нейтралізації кислотних або лужних стоків, що допомагає зберегти екологічну рівновагу.

Цей перелік можна доповнити виготовленням барвників, напрямками, що передбачають процеси бродіння, участь мікробних культур з важливістю реакції ґрунту. Тобто буфери актуальні в широкому діапазоні хім. використань, застосовуються у найрізноманітніших сферах, де тільки можна, якщо там необхідно підтримувати pH на сталому рівні. Не переоцінити їх значення й для біологічних систем, в котрих навіть незначна зміна pH здатна спровокувати серйозні негативні наслідки (проблеми з гомеостазом, погіршення активності ферментів, порушення обмінних процесів тощо). Яскравий приклад буферної системи в організмі людини – кров. Це природний буфер, що реалізує стабільність водневого показника, необхідну для життєдіяльності клітин, оптимального транспорту кисню та ін. Із забезпеченням стабільних умов для роботи організму шляхом регулювання кислотно-лужного балансу крові добре справляється карбонатний буфер. В рослинах, до слова, буферною системою виступає рослинний сік, котрий має неабияке значення для їхньої життєдіяльності.

Чому важлива стабільність буферних розчинів?

Стабільність буферів визначає їхню здатність ефективно виконувати свою функцію протягом потрібного часу. Це має ключове значення для багатьох досліджень і технологічних процесів, де важливе забезпечення точності та надійності.

Для досягнення загальної стабільності враховують:

• температурну стабільність. Деякі буфери мають обмеження за температурними умовами, тому важливо забезпечити їх оптимальне зберігання. Наприклад, при підвищенні температури можуть відбуватися небажані хімічні реакції, що знижують ефективність буфера. Стабільність у температурних коливаннях забезпечує точність процесів у багатьох галузях;
• спротив до розбавлення. Здатність буфера зберігати свої властивості при розведенні важлива для довготривалих експериментів. Це має вирішальне значення у лабораторних умовах, де розбавлення може змінити концентрацію компонентів й викликати коливання pH;
• хімічну стійкість компонентів. Забезпечення стабільності компонентів у р-чині дозволяє уникнути небажаних реакцій. До прикладу, розкладання компонентів буфера через окислення або вплив світла може значно вплинути на ефективність системи. Регулярний контроль якості буферних розчинів є важливим для досягнення їхньої довготривалої стабільності;
• вплив часу. З часом навіть стабільні буфери можуть втрачати свої властивості, тому важливо забезпечити їх правильне зберігання і періодичне оновлення. Це дозволяє підтримувати ефективність буферної системи на високому рівні протягом тривалого періоду.

Як досягти стабільності в умовах змін температури?

Різкі перепади температури можуть спричинити деградацію компонентів буфера. Для уникнення цього необхідно забезпечити поступове нагрівання або охолодження розчину. Забезпечення стабільності буферів в умовах змін температури є важливим аспектом, що сприяє їхньому ефективному використанню в дослідженнях і промислових процесах.

Методи, що сприяють стабільності буферних розчинів у різних умовах:

• використання буферів з високою термостійкістю. Такі матеріали підходять для експериментів у широкому діапазоні температур, забезпечуючи точність результатів. Прикладом може слугувати фосфатний буфер, котрий ефективно зберігає свої властивості навіть при значних коливаннях температури;
• контроль обсягів компонентів. Забезпечення правильної пропорції кислоти та її кон’югованої основи дозволяє уникнути втрати буферних властивостей. Регулярний моніторинг і коригування кількостей складників ефективно забезпечують стабільність системи;
• додавання стабілізаторів. Маються на увазі речовини, які допомагають зменшити зміни рівня водневого показника при нагріванні чи охолодженні. Стабілізатори можуть містити спеціальні хімічні добавки, що підтримують рівновагу в системі, навіть при різких змінах температури;
• зберігання в оптимальних умовах. Наприклад, зберігання буферів у прохолодному та темному місці дозволяє подовжити їх термін придатності. Правильне пакування і використання спеціальних термостійких контейнерів, які мінімізують вплив температурних коливань, також допомагають уникнути впливу зовнішніх факторів й дозволяють підтримувати стабільність буферних розчинів у критичних умовах.

Буферні розчини – це незамінний інструмент для різних сфер науки та промисловості. Розуміння їх механізмів дії та принципів використання дозволяє ефективно застосовувати ці системи у найрізноманітніших процесах, забезпечуючи стабільність та ефективність результатів.