Άσκηση 2 η ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Τα διαλύματα ασθενών οξέων και των αλάτων τους ή ασθενών βάσεων και των αλάτων τους ονομάζονται ρυθμιστικά διαλύματα (buffers). Οι σημαντικότερες ιδιότητες αυτών των διαλυμάτων είναι: 1. Διατηρούν σταθερό το ph όταν προστεθούν σ αυτά μικρές ποσότητες οξέων ή βάσεων (βλ. πίνακα 1). 2. Διατηρούν το ph όταν αραιωθούν εντός ορίων. Οι οργανισμοί διατηρούν το ενδοκυτταρικό και εξωκυτταρικό ph εντός των φυσιολογικών ορίων με τους ηλεκτρολύτες και τα βιομόρια (πρωτεΐνες κ.τ.λ.) που δρουν ως ρυθμιστικά διαλύματα (βλ. πίνακα 2). Πολλά βιομόρια, όπως πρωτεΐνες, επειδή φέρουν σε κάθε μόριο δεκάδες φορτισμένων ομάδων που διΐστανται, ονομάζονται πολυηλεκτρολύτες. Το ph 0,2 Ν διαλύματος CH 3 COOH είναι 2,7. Στο διάλυμα αυτό, ένα μόριο CH 3 COOH στα εκατό μόρια βρίσκεται υπό μορφή CH 3 COO -, άρα το CH 3 COOH είναι ασθενές οξύ. Εάν στο διάλυμα αυτό προσθέσουμε 0,2 Ν διαλύματος CH 3 COOΝa, (που διΐσταται πλήρως) το ph του νέου διαλύματος γίνεται 4,7 και τότε μόνο ένα μόριο CH 3 COOH ανά 10,000 μόρια βρίσκεται υπό μορφή του CH 3 COO - CH 3 COOH CH 3 COO - + Η + CH 3 COOΝa CH 3 COO - + Na + Παρατηρούμε ότι η προσθήκη του άλατος στο διάλυμα του οξέος αυξάνει το ph. Η αύξηση της συγκεντρώσεως των CH 3 COO - μέσω του διϊσταμένου άλατος στρέφει την αντίδραση προς τα αριστερά σύμφωνα με τον νόμο της δράσεως των μαζών (νόμος Le Chatelier Braun). 1
K= [H+][ CH 3 COO - ] [CH 3 COOH] [CH 3 COO - ] To ph του διαλύματος καθορίζεται από την σχέση [CH 3 COOH] άλατος προς οξύ. Διατηρώντας σταθερή την συγκέντρωση του οξέος και αυξάνοντας την συγκέντρωση άλατος παρασκευάζουμε ρυθμιστικά διαλύματα επιθυμητού ph. Ό σο αυξάνει η συγκέντρωση του άλατος σε ένα ρυθμιστικό διάλυμα, τόσο αυξάνει το ph του διαλύματος. Το ph του ρυθμιστικού διαλύματος βρίσκεται από την εξίσωση Henderson Hasselbach: ph = pka + log άλας οξύ To άλας στην προκειμένη περίπτωση είναι συζυγής βάση του οξέος. Πίνακας 1 Η ρυθμιστική ικανότητα του ρυθμιστικού διαλύματος οξικού (0,1 Ν) Διάλυμα (99 ml) Αρχικό ph Προστίθεται (1 ml) Τελικό ph Aλλαγή ΔpH H 2 O 7 0,1 Ν ΗCl 3 4,0 0,1 Ν NaOH 11 4,0 Ρυθμιστικό διάλυμα οξικού 4,73 0,1 Ν ΗCl 4,72 0,01 0,1 Ν NaOH 4,74 0,01 Πρόβλημα: Να υπολογιστεί η εκατοστιαία διαφορά σε Ν για κάθε αλλαγή. 2
Πίνακας 2: Ρυθμιστικά διαλύματα του οργανισμού Οξύ Συζυγής βάση Ανθρακικό οξύ Η 2 CO 3 HCO 3 - + H + Γαλακτικό οξύ CH 3 CHOHCOOH CH 3 CHOHCOO - + H + Αμμωνιακή ρίζα ΝΗ 4 + ΝΗ 3 + Η + Δισόξινο φωσφορικό Η 2 PΟ 4 - HPO 4 -- + H + Ακετοξικό οξύ CH 3 COCH 2 COOH CH 3 COCH 2 COO - + H+ β-υδροξυβουτυρικό CH 3 CHOHCH 2 COOH CH 3 CHOHCH 2 COO - + H + Πρωτεΐνη (Πρωτεΐνη)Η n (Πρωτεΐνη) n- + n(h + ) To συνεχώς παραγόμενο CO 2 από τα κύτταρα μετατρέπεται σε Η 2 CO 3. H ακόλουθη αντίδραση γίνεται και στα ερυθροκύτταρα και στο πλάσμα: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 - + H + H ενυδάτωση του CO2 στα ερυθρά επιταχύνεται με το ένζυμο καρβονική ανυδράση, το οποίο δεν βρίσκεται στο πλάσμα. Τα μεγαλύτερα ποσά Η + ρυθμιστικό σύστημα της αιμοσφαιρίνης: εντός των ερυθρών εξουδετερώνονται από το H + + Hb - HHb, ελάχιστα ποσά Η + εξουδετερώνονται από το ρυθμιστικό σύστημα των πρωτεϊνών του πλάσματος: H + + (πρωτεΐνη) n- (πρωτεΐνη)η n Tα ρυθμιστικά συστήματα ΗCO 3 - /H 2 CO 3, HPO 4 2- /H 2 PO 4 -, NH 3 /NH 4 + δρουν στα νεφρά για την διατήρηση της οξεοβασικής ισορροπίας. Τα 3
συστήματα ακετοξικό, β-οη-βουτυρικό και γαλακτικό, εξουδετερώνουν την περίσσεια των παραγομένων Η + κατά τις διάφορες οξεώσεις όπως είναι η διαβητική και η γαλακτική οξέωση. Γραφικός προσδιορισμός του pka ασθενούς οξέος και παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος (βλέπε σχ.1). Θα προσδιορισθεί γραφικώς το pka του διαλύματος 0,1 Ν CH 3 COOH. Προς τον σκοπό αυτό θα τιτλοδοτηθεί το διάλυμα CH 3 COOH από διάλυμα 0,1Ν ΝaOH CH 3 COOH + OH - CH 3 COO - + H 2 O Η (CH 3 COO - ), σαν άλας του ασθενούς οξέος CH 3 COOH, θα σχηματίσει μ αυτό ρυθμιστικό διάλυμα. Υλικά γυαλικά όργανα Ποτήρι ζέσεως των 100 ml Προχοΐδα των 25 ml Mαγνητικός αναδευτήρας υγρών διαλυμάτων Πεχάμετρο Χιλιοστομετρικό χαρτί CH 3 COOH, 0,1N Διάλυμα ΝαΟΗ, 0,1 Ν Στατώ με λαβίδα για την στήριξη της προχοΐδας Περιγραφή Γεμίζουμε την προχοΐδα με 0,1 Ν ΝαΟΗ, τοποθετούμε το ποτήρι ζέσεως κάτω από την προχοΐδα. Ρίχνουμε τον μαγνήτη μέσα στο διάλυμα και τοποθετούμε το ποτήρι ζέσεως πάνω στον αναδευτήρα. Αναδεύουμε καλά το διάλυμα και ακολούθως βυθίζουμε μέσα σ αυτό το ηλεκτρόδιο του πεχαμέτρου (για την χρήση πεχαμέτρου, βλέπε στο αντίστοιχο παράρτημα) και περιμένουμε να δείξει το πεχάμετρο την τιμή ph του διαλύματος 0,1 Ν CH 3 COOH. Σημειώνουμε την τιμή αυτή. Ο ένας από τους δύο φοιτητές ρίχνει 4
από την προχοΐδα, στην αρχή, ανά 0,5 ml ΝaΟΗ ενώ ο άλλος φοιτητής σημειώνει τα ml ΝaOH που χρησιμοποιούνται και τις αντίστοιχες τιμές του ph του διαλύματος που δείχνει το πεχάμετρο (χρειάζεται υπομονή και προσοχή). Μετά από κάθε νέα προσθήκη διαλύματος 0,1 Ν ΝaΟΗ περιμένουμε να αναδευτεί το διάλυμα καλά και μετά σημειώνουμε την τιμή του ph. Στην συνέχεια αναγράφονται οι τιμές των καταναλωθέντων ml NaOH με τις αντίστοιχες τιμές του ph επάνω σε χιλιοστομετρικό χαρτί. Σχήμα 1: Παράδειγμα γραφικού προσδιορισμού του pka Οξικού ιόντος Οξικού οξέος To αρχικό ph είναι περίπου 2,8. Ας υποθέσουμε ότι οι τιμές ph σε συνάρτηση με ml ΝaΟΗ μας δείχνουν την παραπάνω εικόνα. Βρίσκουμε το σημείο όπου η προσθήκη NaOH (ισχυρής βάσης) δεν αλλάζει αισθητά το ph 5
του διαλύματος διότι ήδη έχει σχηματισθεί ρυθμιστικό διάλυμα (βλέπε σχήμα 1). Η περιοχή αυτή στο παράδειγμά μας είναι γύρω στο 3,5 4,5. Βρίσκουμε την μέση αυτής της περιοχής και φέρουμε την κάθετο στον άξονα του ph και η τιμή του ph είναι ίση προς το pk του CH 3 COOH. Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος. Παρασκευάσατε 100 ml ρυθμιστικού διαλύματος 0,45 Μ ΝaH 2 PO 4 / 2- Na 2 HPO 4 και ph 7,5 (0,45 Μ είναι η ολική συγκέντρωση του ΗΡΟ 4 και Η 2 ΡΟ - 4 ). Τα ρυθμιστικά διαλύματα όπως γνωρίζουμε από την θεωρεία είναι διαλύματα ασθενών οξέων ή ασθενών βάσεων και των αλάτων τους. Για τα διαλύματα αυτά ισχύει η σχέση των Henderson Hasselbaech. ph = pk + log άλας οξύ ή επειδή το άλας σ αυτές τις περιπτώσεις είναι η συζυγής βάση του οξέος, ph = pk + log (συζυγής βάση) (οξύ) ή ph = pk + log δέκτης πρωτονίων δότης πρωτονίων Δηλαδή για το φωσφορικό ρυθμιστικό έχουμε: ph = pka 2 + log [HPO 4 2- ] [H 2 PO - 4 ] Γενικά ένα ρυθμιστικό διάλυμα ΝαΗ 2 PO 4 / Na 2 HPO 4 μπορεί να παρασκευασθεί με τους ακόλουθους έξη τρόπους: 1. Αναμιγνύοντας τις απαραίτητες ποσότητες ΝαΗ 2 ΡΟ 4 και Να 2 ΗΡΟ 4. 2. Εξουδετερώνοντας μερικώς το Η 3 ΡΟ 4 με ΝaΟΗ έτσι ώστε να προκύψουν ΝaΗ 2 ΡΟ 4 και Νa 2 ΗΡΟ 4 στην απαραίτητη αναλογία. Το 6
πρόβλημα δηλαδή μετατίθεται στην εύρεση των ποσοτήτων Η 3 ΡΟ 4 και ΝaΟΗ που απαιτούνται για τον σχηματισμό αλάτων. 3ΝaΟΗ + 2Η 3 ΡΟ 4 Νa 2 ΗPO 4 + NaH 2 PO 4 + 3H 2 O 3. Με μετατροπή μέρους του ΝαΗ 2 PO 4 μέσω NaOH σε Na 2 HPO 4 ΝaΗ 2 PO 4 + NaOH Na 2 HPO 4 + H 2 O 4. Σχηματισμός ΝαΗ 2 PO 4 δια της αντιδράσεως HCl επί του Na 2 HPO 4 Na 2 HPO 4 + HCl ΝaΗ 2 PO 4 + NaCl 5. Eπίδραση του HCl επί του Νa 3 ΡΟ 4 προς ΝaH 2 PO 4 και Νa 2 ΗΡΟ 4 2Νa 3 ΡΟ 4 + 3ΗCl Na 2 HPO 4 + ΝaΗ 2 PO 4 + 3 NaCl 5. Eπίδραση του ΝaΗ 2 PO 4 επί του Νa 3 ΡΟ 4 προς σχηματισμό δύο μορίων Νa 2 ΗΡΟ 4 Νa 3 ΡΟ 4 + ΝaΗ 2 PO 4 Na 2 HPO 4 Για την παρασκευή του ανωτέρω ρυθμιστικού θα ακολουθήσουμε τον 1 ο τρόπο. Για να υπολογισθούν οι απαιτούμενες ποσότητες θα χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση Henderson Hasselbach. Το ρυθμιστικό διάλυμα πρέπει να έχει ph 7,5 και να είναι 0,45 Μ, (το pka 2 στην περίπτωση του φωσφορικού είναι 7,2). Υλικά - γυαλικά - όργανα Σκόνη ΝaΗ 2 PO 4, και σκόνη Na 2 HPO 4, απιονισμένο νερό, κωνική φιάλη των 250 ml, ζυγός, πεχάμετρο. 7
Περιγραφή Αφού βρεθεί η απαιτούμενη αναλογία Na 2 HPO 4 /ΝaΗ 2 PO 4 (βλ. σημείωση) βρίσκονται τα βάρη των αλάτων που πρέπει να χρησιμοποιηθούν για να πετύχουμε τις ανωτέρω ουσίες. Ρίχνουμε τα άλατα στην κωνική φιάλη, βάζουμε 100 ml νερό και αναδεύουμε μέχρις ότου διαλυθούν. Μετράμε το ph του διαλύματος στο πεχάμετρο. Σημείωση Για τον υπολογισμό της αναλογίας Na 2 HPO 4 / ΝaΗ 2 PO 4, δίδεται το ακόλουθο βοήθημα: ph = pka 2 + log [HPO 4 2- ] [H 2 PO - 4 ] [HPO 2-4 ] 7,5 = 7,2 + log διότι Κa 2 = 6,2 Χ 10-8 [H 2 PO - 4 ] [HPO 2-4 ] άρα = [H 2 PO - 4 ] 2 1 Επίσης για τα 0,1 L = (100 ml) 0,45 M φωσφορικού έχουμε: 0,1 x 0,45 = 0,045 moles αλάτων άρα για τα ΗΡΟ 4 2- θα είναι 2/3 x 0,045 = 0,03 moles και για τα Η 2 ΡΟ 4 - θα είναι 1/3 x 0,045 = 0,015 moles Aπό τα Μ.Β. των αντιστοίχων αλάτων μπορούμε να προσδιορίσουμε την απαιτούμενη ποσότητα σε μονόξινο και δισόξινο φωσφορικό νάτριο. Μοριακά βάρη Νa 2 ΗΡΟ 4 x 2 Η 2 Ο = 142 ΝaΗ 2 ΡΟ 4 Χ 2 Η 2 Ο = 156 8
Ο κάθε φοιτητής να επαληθεύσει τα παραπάνω στάδια του υπολογισμού με την απαιτούμενη λεπτομέρεια. 9