Биологическое значение буферных систем. Буферность почв и почвенного раствора.

В живых организмах буферные системы поддерживают постоянство рН в кро­ви и тканях. В процессе обмена в живом организме образуются большие количе­ства кислых продуктов. Так, в организме человека за сутки образуется такое ко­личество различных кислот, которое эквивалентно 20—30 л однонормальной силь­ной кислоты. Сохранение постоянства реакции внутри организма обеспечивается наличием в нем мощных буферных систем. В организме человека особенно боль­шую роль играют белковый, бикарбонатный и фосфатный буферы.

Буферной смесью крови является карбонатная смесь, состоящая из NaНСО₃ и СО₂, а также фосфатные смеси, состоящие из NaН₂РО₄ и Na₂HPО₄. Бикарбо­натный буфер присутствует в крови также в довольно большой концентрации. Зная количества бикарбонатов и свободно растворенного СО₂, можно определить рН крови по следующей формуле:

4.82

где 6,11—показатель константы, характерной для крови и близкой по величине к кажущейся константе диссоциации угольной кислоты; [бикарбонат] — концен­трация бикарбоната в объемных долях, в процентах; [СО₂] — концентрация сво­бодно растворенной угольной кислоты. Этой формулой широко пользуются на практике при различных медико-биологических исследованиях.

Однако наиболее мощными буферными системами крови являются так назы­ваемые гемоглобиновые буферы, которые составляют примерно 75% всей буфер­ной емкости крови. Сущность действия этих буферных систем заключается в сле­дующем: Кислые продукты обмена веществ взаимодействуют с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества их калиевых солей и сво­бодного гемоглобина, обладающего свойствами слабой органической кислоты. Та­ким образом, подкисления крови не происходит.

Углекислота, связанная с гемоглобином, в конечном итоге выделяется в воз­дух через легкие, однако сдвига рН крови в щелочную сторону не происходит, так как образующийся при этом оксигемоглобин значительно кислее гемоглобина.

Большое значение в поддержании постоянного рН внутри живых клеток име­ет так называемый белковый буфер. Этот буфер состоит из протеина (Pt) и его соли, образованной сильным основанием Na или К. Компоненты этого буфера можно представить так: Pt—СООН — слабо диссоциирующая кислота, Pt—COONa — ее соль:

Эта буферная система действует аналогично буферным смесям, рассмотренным ранее. При увеличении концентрации ионов водорода соль белка реагирует с кис­лотами, образуя весьма слабо диссоциирующую кислоту и нейтральную соль:

При взаимодействии же с щелочами в реакцию вступает кислота и вместо силь­ного основания образуется слабоосновная соль белка:

Благодаря амфотерности даже отдельная белковая молекула обладает буфер­ным действием, т. е. способностью связывать кислоты и щелочи с образованием солей:

Как видим, при добавлении сильной кислоты образуется слабокислая соль белка (так называемый солянокислый протеин). Прибавление щелочи приводит к. образованию слабоосновной соли белка (протеината натрия):

Отметим, что растительные соки также представляют собой буферные растворы сложного состава.

Почвы и почвенные растворы аналогично растворам биологического проис­хождения обладают определенной буферностью, что хорошо видно из следующе­го опыта. Если взять две навески почв с нейтральной реакцией (одну суглини­стую, другую — песчаную) и к обеим навескам добавить одинаковое количество кислоты 0,05 н. концентрации, то после взбалтывания рН равновесных растворов суспензий окажется неодинаковой. рН суспензии песчаной почвы будет значи­тельно ниже, чем суглинистой. Таким образом, суглинистая почва препятствует сильному подкислению, обладает гораздо большей буферностью по сравнению с песчаной.

Буферность твердой фазы почвы обусловливается в основном двумя факто­рами: количеством почвенных коллоидов и составом поглощенных катионов: Большое значение имеют также энергия поглощения водородных ионов почвен­ными коллоидами и степень диссоциации последних. Поскольку органические ве­щества почвы преимущественно состоят из слабых кислот (т. е. кислот с очень малой константой диссоциации), они в значительной степени связывают поступа­ющие в почвенный раствор ионы водорода и тем самым оказывают буферное дей­ствие против подкисления почвы. Опыт показывает: чем больше данная почва со­держит органического вещества, тем выше ее буферное действие.

Почвенный раствор обладает буферностью в том случае, если в нем присут­ствуют соли сильных оснований и слабой кислоты. К сильным основаниям отно­сятся натрий, калий, к более слабым — кальций и магний. Из слабых кислот в почвах присутст­вуют гуминовые и фульвокислоты, щавелевая и др. Из сильных кислот в почве могут присутст­вовать серная и азотная. Эти кислоты попадают в почву с удобрениями или оcвобождаются при поглощении растениями питательных элементов из физиологически кислых удобрений, например аммония из сульфата аммония и т. д. Чем выше содержание в почвенном растворе этих солей, тем выше его буферная способность.

Практика сельского хозяйства показывает, что в слабобуферных почвах реакция среды мо­жет довольно резко изменяться от внесения физио­логически кислых или щелочных удобрений. В почвах, обладающих хорошей буферностью, этого не происходит.

Буферность почв по отношению, например, к кислотам определяют титрованием, добавляя к почвенной суспензии небольши­ми порциями кислоту и измеряя реакцию суспензии (рН). Если при этом реак­ция изменяется очень заметно, почва обладает сравнительно малой буферностью. Внесением органических и минеральных коллоидов (например, ила или глин) буферность почвы можно значительно улучшить. В кислых почвах буферность по отношению к кислотам можно повысить внесением в почву известняка (СаСОз). Вносить минеральные удобрения в почвы с малой буферностью рекомендуется в несколько приемов и уменьшенными дозами, чтобы предотвратить резкое смеще­ние реакции среды.

Индикаторы и их применение.

Величина рН имеет большое значение, поэтому методам ее оп­ределения уделяется самое серьезное внимание. Методы определе­ния рН могут быть различными. Наиболее широкое распростране­ние получили электрометрический и колориметрический методы. По­следний может быть буферным и безбуферным. Первый метод яв­ляется наиболее точным, хотя и более сложным. Колориметрический метод более прост, но менее точен. Он основан на принципе измене­ния цвета кислотно-основных индикаторов (индикаторный метод).

Кислотно-основные индикаторы — довольно сложные органиче­ские вещества, которые проявляют слабокислотные или слабоще­лочные свойства и в растворах меняют свою окраску в зависимости от рН среды.

В настоящее время считают, что изменение цвета индикатора связано с изменением строения его молекулы.

Индикаторы, которые в кислой и щелочной средах имеют раз­личную окраску, получили название двухцветных (метиловый крас­ный, лакмус: и др.), а индикаторы, которые имеют одну окраску — одноцветных (фенолфталеин и др.).