Для протекания различных химических, биохимических, биологических процессов большую роль играет концепция водородных ионов. Например рH крови человека и животных имеет постоянное значение; каждый вид растений успешно развивается лишь при определенной кислотности почвы (чаще всего растения страдают от повышенной кислотности); свойства природной воды зависят от концентрации катионов водорода, которая различна для разных водных источников, а для поверхностных вод океана поддерживается приблизительно на постоянном уровне. С пищей в организм человека вводятся и катионы водорода, и анионы гидроксогруппы в различных соотношениях. В связи с этим большую роль в жизнедеятельности организма играют регуляторные системы, поддерживающие постоянство рH его внутренней среды. Это так называемые буферные растворы (название происходит от английского buffer, что в переводе на русский язык означает промежуточный, ослабляющий столкновение). В крови человека присутствует три вида буферных систем: фосфатная, гидрокарбонатная, белковая. Если в крови создается избыток катионов водорода, он связывается одним из компонентов той или иной буферной системы. Именно благодаря этому в организме человека наблюдается постоянство pH крови, слюны, желчи, тканевых жидкостей различных органов. В силу возникновения различных заболеваний может произойти изменение концентрации водородных ионов в крови и желчи. Например, в тяжелых случаях сахарного диабета кислотность крови растет, а при тяжелой почечной или печеночной недостаточности pH крови может сместиться в щелочную область.
В лабораторной практике рH химических процессов регулируют, используя специально приготовленные буферные растворы: их рH незначительно изменяется при разбавлении, концентрировании, а так же при добавлении небольших количеств кислот и щелочей, не превышающих некоторого предела.
Обычно буферными являются растворы, содержащие:
а) слабую кислоту и ее соль, образованную сильным основанием;
б) слабое основание и его соль, образованную сильной кислотой;
в) кислые соли разной основности, например дигидрофосфат натрия и гидрофосфат натрия. Рассмотрим зависимость рH буферного раствора от его состава и концентрации составных частей на примере ацетатной буферной смеси. Концентрация катионов водорода в растворе слабой кислоты при постоянной температуре зависит от ее концентрации, которая определит степень диссоциации. Степень диссоциации слабой кислоты можно понизить, добавив соль этой кислоты, в данном случае ацетат натрия. Чем выше концентрация соли, тем меньше степень диссоциации кислоты, т.е. тем меньше концентрация водородных ионов. Таким образом, меняя концентрацию уксусной кислоты и количество ацетата натрия, можно готовить растворы с различным значением рH.
Рассмотрим, на чем основано свойство буферных растворов сохранять постоянство рH.
Предположим, что рассматриваемый буферный раствор разбавили водой. С разбавлением увеличится степень диссоциации уксусной кислоты, чему будет способствовать уменьшение концентрации соли ацетата натрия, одноименные ионы которой подавляют диссоциацию кислоты. Таким образом, при разбавлении буферного раствора водой его рH практически не изменится. При добавлении к буферному раствору небольшого количества сильной кислоты катионы водорода, поступающие в раствор, связываются ацетат-анионами в молекулы слабого электролита - уксусной кислоты, степень диссоциации которой понижается в присутствии ацетата натрия. При добавлении небольшого количества щелочи анионы гидроксогруппы будут связываться катионами водорода с образованием молекулы воды. Убыль катионов водорода сместит равновесие диссоциации уксусной кислоты в сторону их образования. Однако при этом увеличится концентрация ацетат-анионов и степень диссоциации уксусной кислоты уменьшится. После установления равновесия рH изменится незначительно. В случае подобных воздействий на другие буферные растворы в них будут наблюдаться аналогичные процессы.
Таким образом, свойство буферных растворов поддерживать постоянное значение рH основано на том, что отдельные компоненты раствора связывают катионы водорода или анионы гидроксогруппы, вводимых в раствор сильных кислот или оснований. При этом следует понимать, что эта возможность не является безграничной. Любой буферный раствор сохраняет постоянство рH только до прибавления некоторого определенного количества кислоты или щелочи, иначе говоря у каждого буферного раствора есть характеристика – буферная емкость. Если емкость будет исчерпана, то при дальнейшем прибавлении кислоты или щелочи pH раствора резко изменится, он перестанет действовать, как буферный. Буферная емкость раствора тем выше, чем больше концентрация компонентов раствора (кислоты и ее соли; щелочи и ее соли). Наибольшей буферной емкостью обладает раствор с одинаковой концентрацией компонентов. Разбавление раствора существенно не влияет на изменение pH, но сильно влияет на буферную емкость. Буферное действие прекращается, как только один из компонентов раствора израсходуется примерно на 90%.
Таким образом, сама жизнь организма зависит от способности крови регулировать pH в определенных пределах. А это достигается содержанием в крови буферных систем.