Roztoky elektrolytů Acidobazické reakce II © Biochemický ústav LF MU (E.T.) 2008 i OBSAH PŘEDNÁŠKY 1 .část: • Hydrolýza solí (opak. ze střední školy, viz též praktická cvičení) • Tlumivé roztoky (pufry) 2 Hydrolýza solí reakce aniontů slabých kyselin nebo kationtu slabých zásad s vodou ovlivňuje pH roztoku soli 3 Soli vznikají reakcí mezi kyselinou a zásadou -neutralizací. Při neutralizační reakci není vždy výsledné pH neutrální. Všechny soli disociují ve vodném roztoku, ale jen některé hydrolyzují Hydrolyzují pouze ty soli, v nichž je obsažen kation slabé zásady nebo anion slabé kyseliny 4 „Silné" a „slabé" ionty CI CH3COO h O ,--------- CH3COOH + OH ďje divácký (spectator) anion Proč má mýdlo alkalickou reakci ? Proč je roztok sody (Na2C03) alkalický ? Proč je roztok Na3P04 alkalický ? Reakce solí ve vodě 1. Sůl slabé kyseliny HA a silné zásady B BA -----► B+ + A- disociace hydrolyzuje jen anion slabé kyseliny A~ + H20^^ HA + OH~ hydrolýza aniontu i pH je mírně zásadité Příklad 1: CH3COONa - octan sodný (sůl slabé kys. octové a silného hydroxidu sodného) 1. Disociace CH3COONa -» CH3COO- + Na+ 2. Hydrolýza aniontu slabé kyseliny CH3COO- + H20 t; CH3COOH+ OH" l pH i e mírně zásadité 8 2. Sůl slabé zásady B a silné kyseliny HA (amonné soli, soli dusíkatých bází) BHA -► BH+ + A- disociace hydrolyzuje jen kation dusíkaté báze BH+ + H20 t; B +H30+ hydrolýza kationtu I pHje slabě kyselé 9 Příklad 2: NH4C1 - chlorid amonný (sůl slabé báze amoniaku a silné kyseliny chlorovodíkové, také např. pyridinium chlorid, pyrrolidinium bromid atd.) 1. Disociace NH4C1 -► NH4+ + Cl- 2. Hydrolýza kationtu slabé báze NH4+ + H20 i? H30+ + NH3 pH je mírně kyselé io 3. Sůl slabého hydroxidu M(OH)m a silné kyseliny HA Disociace: MAm -► Mm+ + m A" m = metal, kov Kation kovu se ve vodě hydratuje - vytváří definovaný aquakomplex Mm+ + nH20 -► [M(H20)n]m+ a současně hydrolyzuje [M(H,0)„r+ + H20 U [M(H,0)„.,OH] ť»-»+ + H30 pH je mírně kyselé, aquakomplex se chová jako Bronstedtova kyselina n Příklad 3: CuCl2 - chlorid měďnatý (sůl kationtu Cu2+ odvozeného od slabého hydroxidu a silné kyseliny chlorovodíkové) 1. Disociace CuCl2 - Cu2+ + 2C1- 2. Vznik aquakomplexu Cu2+ + 6 H20 - [Cu(H20)6]2+ 3. Hydrolýza komplexního aquakationtu [Cu(H20)6 ]2++ H20 ±ř [Cu(H20)5OH]+ + H30+ l pH je mírně kyselé 4. Sůl slabé zásady B a slabé kyseliny HA (amonné soli slabých kyselin, soli dusíkatých bází a slabých kyselin, soli slabých hydroxidů a slabých kyselin) BA -► B+ + A~ disociace oba ionty podléhají nezávisle hydrolýze vznikají hydroxidové i oxoniové ionty Hodnota pH závisí na pK hodnotách slabé kyseliny i zásady, zpravidla je pH~7 13 Příklad 4 NH4N02 (sůl slabé báze amoniaku a slabé kyseliny dusité) 1. Disociace NH4N02 -» NH4+ +N02- 2. Hydrolýza kationtu slabé báze a aniontu slabé kyseliny NH4+ + H20 ±> NH3 + H30+ ^ N02" + H20 ±5 HN02 + OH- pH~7 14 Hydrolýza - souhrn doplňte Složení soli - původ iontů katión anion pH Silná zásada Silná kyselina Slabá zásada Silná kyselina Silná zásada Slabá kyselina Slabá kyselina Slabá zásada Tlumivé roztoky (pufry) Látky, pomocí kterých lze: • nastavit přesnou hodnotu pH • udržet dané pH v určitých mezích • tlumit výkyvy pH způsobené omezeným přídavkem kyseliny či zásady. 16 Pufry jsou nejčastěji: • směs slabé kyseliny a její soli se silnou zásadou (kys. octová a octan sodný) • směs slabé zásady a její soli se silnou kyselinou (amoniak a chlorid amonný) • směs solí vícesytné kyseliny (hydrogenfosforečnan a dihydrogenfosforečnan sodný) 17 Příklad: Jak pufr působí ? roztok (CH3COOH + CH3COONa) (ve srovnatelných koncentracích) Částice přítomné v roztoku: CH3COO CH3COOH (hlavně ze soli z kyseliny Na ze soli + z kyseliny) Přítomnost CH3COO" ze soli potlačuje disociaci CH3COOH Rovnováha v roztoku: CH3COOH CHXOO- + H + K = A [h+][A]_[h+}[ch3coo-] [HA] ~ [CH3C00H] 18 H + K [CH,C O OH] z kyseliny A CH.COO ze soli Koncentrace iontů H+ (a tedy i pH) závisí na poměru koncentrace slabé kyseliny a její soli Pufr je účinný tehdy, jsou-li koncentrace soli a kyseliny srovnatelné (poměr CH3COOH/ CH3COO- =1:10-10:1) Př.: Do roztoku přidáme silnou kyselinu H+ ionty —> porušíme rovnováhu Rovnováha v roztoku se opět vytvoří: ■*► CH3COO- + H+ <------- CH3COOH _ [h+ }[CH3COO" ] Aby byla zachována ^a - r^TT^z^ZTTi rovnováha, část H+ iontů se [CH3COOH] sloučí na CH3COOH •většina přidaných H+je vázána jako slabá kyselina, její disociace je potlačena přítomností CH3COO~ • poměr koncentrací CH3COOH a CH3COO" se však příliš nemění, [H]+ také ne (protože koncentrace obou složek soli jsou srovnatelné) 20 Př.: Do roztoku přidáme silný hydroxid OH' ionty —> porušíme rovnováhu CH3COOH + OH"------- CH3COO- +H20 Zvýší se koncentrace CH3COO~ [h+ ][CH3COO" ] Ahy b^la zachována Ka = rrH rQ0TT] rovnováha, část CH3COO" L 3 J iontů se sloučí na CH3COOH • přibylo iontů CH3COO~? část se přeměnila na CH3COOH • poměr koncentrací CH3COOH a CH3COOH se však příliš nemění, [H+] také ne (protože koncentrace obou složek soli jsou srovnatelné) Hodnota pH pufru Pro kyselý pufr A [A"] C [W] = K A A pH = pK.+ log- A C A [H+][A] [HA] po úpravě Hendersonova-Hasselbalchova rovnice Pro zásaditý pufr Cc pOH = pKB+ log— PH = 14-pKB-log^ 23 Henderson-Hasselbalchova rovnice v obecném tvaru pH = pKA + log -*■ cB - koncentrace bazické složky pufru (sůl slabé kyseliny u kyselého pufru nebo slabá báze u bazického pufru) cA- koncentrace kyselé složky pufru (slabá kyselina u kyselého pufru nebo sůl slabé báze u bazického pufru) 24 Na čem závisí pH pufru ? PH = P^A + lOg 0 na poměru koncentrace na hodnotě pKr^'Zof a kyseliny Jaké bude pH octanového pufru připraveného z 0,5 1 kyseliny octové, c=0,2 mol/l a 0,5 1 octanu sodného 0,4 mol/l ? pH = 4,73 + log— = 4,7 + 0,3 = 5,0 25 Kapacita pufru - vyjadřuje účinnost pufru = množství H+ nebo OH" iontů , které j e k 1 1 pufru, aby se pH změnilo o 1 (resp. třeba přidat 0,1) ß = Ac + _ H+, OH (př) A pH 26 Viz praktická cvičení Na čem závisí kapacita pufru ? •na poměru koncentrací obou složek •na koncentraci obou složek pufru 27 Závislost kapacity na poměru koncentrací [A J Změna poměru koncentrací je C nejmenší, jsou-li pH = pKA + log -*- koncentrace soli i £a kyseliny stejné Kapacita je nejvyšší, jestliže cJcA =1 log 1 = 0 B'^A pak pH = pKA Účinné pufry mají pH = pK ± 1 ( cB/cA = 1/10 -10 /l) 28 Závislost kapacity na koncentraci Při stejném poměru obou složek pufru má větší kapacitu pufr s vyšší koncentrací 29 Vztah pufru k titracním křivkám • titrační křivka vyj adřuj e změny pH v průběhu titrace kyseliny zásadou nebo naopak • je to závislost pH na objemu přidaného titračního činidla nebo % neutralizace 30 Titrace slabé kyseliny silnou zásadou pH (např. titrace kys. octové hydroxidem sodným) +1N PKA Oblast nejvyšší účinnosti pufru Při 50% neutralizaci jev roztoku směs soli a kyseliny v poměru 1:1, je tedy účinným pufrem pH = pK A o, o 50% neutralizace 31 Jak muzeme zjistit pKA slabé kyseliny? máme-li k dispozici pH metr, příslušnou kyselinu a NaOH ???? Jak připravíme účinný pufr s danou hodnotou pH ? n n 33 Pufry používané v biologii - příklady HEPES (N-2-Hydroxyethylpiperazin-Nf-2-ethansulfonová kyselina pKA=7,3při37°C HO. Tris-(hydroxymethyl)-aminomethan. pKA = 8,3 při 20°C CHaSHCH I 2-nn^n3 MEG (N-methylglukamin) pKA= 9,52 při 25°C H—C—OH H0- H—C—OH I H—C—OH I )—C—H I f CHpOH N H HO NH< V \ HO OH .N O Odhadněte, pro jaké přibližné hodnoty pH jsou vhodné tyto pufry? 34 Pufrační systémy v organismu Krev pH krve 7,40 + 0,04 Nejvýznamnější pufry v krvi: Hydrogenuhličitanový pufr: HC037H2C03 Bílkoviny (hemoglobin, albumin): Protein/Protein H Hydrogenfosfátový pufr: HP0427H2P04" Všechny pufrační systémy působí koordinovaně 35 Hydrogenuhličitanový pufr (hydrogenkarbonátový) COo + HoO U HoCO, U H+ + HC(V •C02 se rozpouští ve vodě a jeho malá část vytváří H2C03 •Koncentrace H2C03 závisí na koncentraci C02 •Namísto koncentrace [H2C03] používáme efektivní koncentraci [H2C03]eff [C02 + H2C03] = [H2C03]ef efektivní koncentrace Její mírou je pC02 nad roztokem Namísto KA pro kys. uhličitou vyjadřujeme KAqí [h+\hco;} 7 Aef [C02+H2C03] (voda, 25 °C) P^íef=6>37 pro krev (t =37 °C, vyšší iontová síla) P^Aeff=640 37 Henderson-Hasselbalchova rovnice pro hydrogenuhličitanový pufr v krvi: [HC°3-] r 1 i [HCO/] pH = piT + log —i-----^é— = 6,1+ log (H2C03) [C02+H2COJ [Hm] 2 3 Jef pH = 6,1 + log [HCO pC02 0,22 parciální tlak C02 v kPa Pro koeficient 0,22 a tlak v kPa se udává v mmol/1!!!!!! koeficient rozpustnosti pro CO: 38 Jak působí hydrogenuhličitanový pufr ? Otevřený systém - množství C02 může regulovat ventilací --------------------► CO + H O « HCO , H+ ■+■ trrn - H+ plíce u+ + Hro.- -----i. R.ro. ^ra + h.o => OH- OH- + H„m„ , ' H( !()„- + H.O CO Z J * JA 2 + H20 / ledviny Hydrogenkarbonátový pufr působí jako otevřený pufrový systém Koncentrace obou složek mohou být změněny: C02 dýcháním HC03" činností jater a ledvin 40 Disociace H2C03 do druhého stupně HCO3- --------► H+ + CO32- pK2= 10,25 nemá pro udržování pH krve význam Proč? Pufracní účinek bílkovin je zprostředkován některými skupinami v postranních řetězcích Aminokyselina Skupina ve vedl. řetězci pKA skupiny Aspartat ß-karboxyl (-COOH) 3,9 Glutamat y-karboxyl (-COOH) 4,3 Histidin imidazolium 6,0 Cystein sulfanyl (-SH) 8,3 Tyrosin fenolový hydroxy 1 10,1 Lysin 8-amonium (-NH3+) 10,5 Arginin guanidium -NH(NH2)C=NH2+ 12,5 42 Která z uvedených AK se může efektivně podílet na udržení pH 7,4 ? 43 Nejvýznamnější aminokyselinou z hlediska pufracního účinku bílkovin v krvi j e histidin N H CH2-CH-COO Reverzibilní protonizace a deprotonizace NH3+ OH" pKA^6 H konj .kyselina N H CH2-CH-COO- NH3+ Nejvýznamnějším bílkovinným pufrem v krvi je hemoglobin, je to hlavní bílkovina krve Obsahuje histidinové zbytky: např. hemoglobin A (tetramer) má 38 His Pufrační účinky má také albumin (hlavní bílkovina plazmy) a ostatní bílkoviny. 45 Systém hemoglobin/oxyhemoglobin HHb ±> Hb" + H+ pKA - 7,8 HHb02 í? Hb02- + H+ pi:A - 6,2 (jedná se o disociace histidinových zbytků) HHb02 vzniká v plicích z HHb a ihned disociuje naHb02-+ H+ ve tkáních odevzdá Hb02_ kyslík, přijímá proton a mění se na HHb Vlastnosti Hb(X a Hb + H+------* 09 + Hydrogenfosfátový pufr HPO42- / H2P04- pKA2 = 6,8 koncentrace fosfátů v krvi je nízká působí jako účinný pufr v moči a v buňkách 48 OBSAH PŘEDNÁŠKY 2.část: • Koloidní roztoky a jejich vlastnosti • Tenzidy 49 Tekuté koloidné disperzní soustavy Viz klasifikace soustav na první přednášce Hydrofobní koloidy Hydrofilní koloidy Koloidní roztoky síry, zlata, platiny... Micelární koloidy Molekulární koloidy Roztoky bílkovin, polysacharidu, synt.polymerů (sérum, hlen, lymfa) 50 Terminologie The terms lyophilic (hydrophilic, lipophilic, oleophilic, etc.) and lyophobic (lipophobic, etc.) may be used to describe the character of interaction of a particular atomic group with the medium. In this usage the terms have the relative qualitative meaning of 'solvent preferring' (water-preferring, fatpreferring etc.) and 'solvent rejecting' (water-rejecting, fat-rejecting, etc.) respectively. IUPAC Compendium of Chemical Terminology 2nd Edition (1997) 51 Lyofilní částice = částice schopné obklopovat se rozpouštědlem Je-li rozpouštědlem voda V Hydrofilní částice 52 Lyofobní částice = částice odpuzující rozpouštědlo, nemající afinitu k rozpouštědlu Je-li rozpouštědlem voda V Hydrofobní částice 53 Vlastnosti roztoku hydrofilních koloidních částic Velikost částic - 1-500 nm Viditelné v elektronovém mikroskopu Nesedimentují Difúze pomalá Roztoky opaleskují Koligativní vlastnosti slabé Roztoky hydrofilních makromolekul Proč j sou některé bílkoviny rozpustné ve vodě ? (např. bílkoviny krevní plazmy) ik Proč se škrob částečně rozpouští ve vodě ? -^ Proč j sou ve vodě rozpustné nukleové kyseliny ? 55 Rozpouštění hydrofilních makromolekul (např. .....rťO^S^L c? Ve vodě se rozpouští jen ty makromolekuly, které mají dostatek polárních skupin ve své struktuře (srovnej rozpustnost yfibroinu a albuminu) /interakce polárních částí s ^ • nepolární (hydrofobní úseky) jsou skryty uvnitř C? Molekuly vody © 0 Nabité skupiny v makromolekule 56 $)ílkovin|HU QJCJ 'O (V O" -■........o * o> .,// 0 anion soli, např. Cl~ katión soli, např. NaH Vliv iontů soli na rozpouštění makromolekuly • Ve vodě mohou být obsaženy i soli —> ovlivňují rozpustnost interakcí s polárními skupinami makromolekuly (viz snímek 59) • Makromolekula se obaluje molekulami rozpouštědla a přítomnými ionty soli - vzniká elektrická dvojvrstva 57 Pri interakci polárního rozpouštědla a makromolekuly se uplatňují nevazebne interakce dipól-ion Jí dipól-ion U ion-ion Q H \ H vodíkové můstky Vliv koncentrace soli - vsolování a vysolování ^ ^ * ^ to , vsolování vysolování >ustno x-\ N / \ vybíjení náboje, O X \ odstraňování / Vody koncentrace soli (Ňí) Nízká koncentrace soli - vsolování (rozpustnost je usnadněna. JíoO JíoO + JI2OJ) + Interakce mezi ionty soli a polárními skupinami makromolekuly stabilizuje roztok Vysoká koncentrace soli - vysolování (rozpustnost je snížena) Nabité a polárni skupiny makromolekuly interagují mezi sebou Interakce mezi ionty soli a vodou snižuje solvataci makromolekuly a destabilizuje roztok 61 Vysolování bílkovin = srážení bílkovin koncentrovanými roztoky solí Jedna ze separačních metod Používá se např. síran amonný, síran sodný Srážení bílkovin lze provádět i přídavkem ethanolu, acetonu a jiných org. rozpouštědel -působí rovněž dehydratačně 62 Shrnutí: stabilita koloidních roztoků makromolekul je podmíněna nábojem a solvatačním obalem • vliv koncentrace a náboje soli (iontová síla) —» ovlivnění náboje i solvatace •vliv pH —> ovlivnění náboje •vliv snadno hydratujících se látek (org. rozp.) —> ovlivnění solvatace • koncentrace koloidu - koncentrovanější roztoky jsou méně stabilní Micelární koloidní roztoky Proč j e roztok mýdla zakalený a odstraňuje špínu ? Jak fungují saponáty ? Jak funguje „bublifuk "? 64 Micelární koloidní roztoky roztoky nízkomolekulárních látek s difilním charakterem Polární část micela 65 Difilní (amfifilní) molekula obsahuje ve sve ; struktuře polární i nepolární část Tyto látky mají schopnost měnit povrchové napětí kapalin - nazývají se proto také povrchově aktivní látky neboli tenzidy v/n/^ 66 Záporný náboj - aniontový tenzid mýdla> Kladný náboj saponáty . kationtový tenzid kvartérní amoniové soli s jedním dlouhým uhlíkatým řetězcem Typy tenzidů (dle charakteru polární ásti molekuly) Kladný i záporný náboj -amfoterní tenzid fosfatidylcholin Bez náboje- neiontový tenzid polyethylenglykol fosfatidylserin 67 Aniontove tenzidy Mýdlo je typickým aniontovým tenzidem. Vyrábí se alkalickou hydrolýzou tuků (zmýdelnění). nepolární řetězec 0 // ^^^\^ \ 0 © 0 Na natrium-stearát (sodium stearate) polární konec 68 Mýdlo není ester, je to sůl vyšší mastné kyseliny p Mýdlo se vyrábí z podřadných tuků NaOH tallow ---------------► sodium tallowate (směs TAG) (směs Na-solí MK obsažených v loji) Anglicko-česky minislovníček sodium = sodík (Na), sodný (Na+) tallow = hovězí lůj lard = vepřové sádlo coco = coconut = kokos, kokosový tuk palm = palma; kernel = jádro (ořechů aj.) palm kernel = palmový jádrový tuk 70 Co je v mýdle? Tenzidy sodium tallowate sodium palm kernelate sodium lardate sodium cocoate a podobné... Pomocné látky NaCl (zahušťovadlo) Ti02 (inertní plnidlo) glycerol (zvlhčovadlo) olej, parafin (změkčovadlo) EDTA (váže Ca2+, okyseluje) parfémy, barviva (CI) a další ... 71 Proč je mýdlo málo účinné v tvrdých vodách ? Proč je mýdlo málo účinné v kyselých vodách ? P Další aniontove tenzidy 0 ■ ■ ^^ 0-S-Oy Na® alkyl-sulfát sodný II 0 -\^*° alkansulfonát sodný /S"0e Na® Jsou součástí saponátů 73 Příklady použití aniontových tenzidů Tenzid Aplikace Dodecylbenzensulfonát Prostředky na mytí nádobí Triethanolammbenzensulfonát Autošampóny Laurylsulfát sodný Šampony, zubní pasty Laurylsulfát lithný Pěny na koberce Laurylethersulfát sodný Pěna do koupele Diethanolamin cetylfosfát Kosmetické emulgátory 14 i Kationtové tenzidy Tetraalkylamonné soli s jedním nebo dvěma výrazně dlouhými alkyly Ri + R2- R3 X Ri c I" Užití: antiseptika, dezinfekční prostředky (Septonex, Ajatin) Součást aviváží 75 Jak působí vlasový kondicionér ? • Zvlhčené bílkoviny vlasu (keratin) mají na svém povrchu záporný náboj •Tenzid se naváže na povrch vlasu svým kladným nábojem •Hydrofobní část tenzidu vytvoří povrchový obal vlasu •Vlas se stává na povrchu hydrofobní —> mizí vliv statické elektřiny, vlas je hebký, měkký ftft ftftftft ft ft ft vlas Q Q Q Q Q Q Q Q® kationtový tenzid i Antibakteriální účinek kationtových tenzidů •Bílkoviny buněčné membrány mají obvykle záporný náboj. •Kationtový tenzid se váže na tyto bílkoviny a narušuj e j ej ich funkci. •Různé tenzidy působí na různé typy bakterií, v závislosti na skupinách navázaných na kvartérní dusík. •Obecně však současně dochází i k poškození jiných biologických systémů (kůže,...) 77 Příklady použití kationtových tenzidů Tenzid Aplikace Distearyldimethyl amonium chlorid Lauryltrimethylamonium chlorid Cetyltrimethylamonium chlorid Alkyltrimethylamonium methosulfát Dodecyldimethylamonium chlorid Průmyslové změkčovadlo \/ Šampony Antib akter iální účinek Vlasový kondicionér Fungicid 78 Jaký efekt vznikne, smícháme-li vodné roztoky kationtového a aniontového tenzidu ? 79 Přirozené tenzidy Fosfolipidy 0 m ' 0-CH2 \ /O-CH 0 CH3 C 1 M 01 II CH2—0—P—O-CH2CH2—N—CH3 U 00 CH3 Fosfatidylcholin Membrány, liposomy 80 Přirozené tenzidy Žlučové kyseliny C 00 Kyselina cholová Trávení lipidů v tenkém střevě Proč má žlučová kyselina charakter tenzidu ? _ nepolární tetracyklický skelet polární skupiny (-OH a -COO-) Chování tenzidu v roztoku Při nízké koncentraci se adsorbují na povrchu polární kapaliny (rozhraní fází) Snižují povrchové napětí Jak se bude chovat tenzid v nepolární kapalině ? 83 Při větší koncentraci - tvorba micel Micelární koloidní roztok ^m^ rvjj^j'^ #™~™ —• • % T / jí •jjjjJyj)1 ^íľ^1^ Účine solubilizační Do nitra micely se zabuduje omezené množství nepolární fáze roztok zůstává koloidní (částice do 500 nm) tenzidu emulgační Stabilizace kapének v emulzi roztok má charakter hrubé disperze Fosfolipidove dvojvrstvy Buněčné membrány Liposomy Transport léčiv nebo nukleových kyselin Hrubé disperze Suspenze Emulze nerozpustné částice v kapalném prostředí dvě nemísitelné kapaliny (krev, lékové formy... /\ o/v v/o ^ ' olej ve vodě voda v oleji Emulgátory - stabilizují emulze Ochranné koloidy - stabilizují suspenze Příklady emulzí Emulze/Typ Polární fáze Nepolární fáze Emulgátor Mléko o/v voda(90 %) mléčný tuk (3 %) kasein, fosfolipidy Máslo v/o voda (20 %) mléčný tuk (80 %) kasein, fosfolipidy Margariny v/o voda(-20 %) rostl, olej (-80%) diacylglyceroly Krémy o/v voda tekutý parafin cetylalkohol aj. Masti v/o voda parafin lanolin aj. 89