基础化学缓冲溶液讲稿.ppt

1、第四章 缓冲溶液,Buffer Solution,内容提要,1. 缓冲溶液及缓冲机制 缓冲溶液及其作用机制 缓冲溶液的组成2. 缓冲溶液pH的计算 缓冲溶液pH的近似计算公式 缓冲溶液pH计算公式的校正3. 缓冲容量和缓冲范围 缓冲容量 影响缓冲容量的因素 缓冲范围,内容提要,4. 缓冲溶液的配制 常用缓冲溶液的配制方法 标准缓冲溶液5. 血液中的缓冲系,教学基本要求,掌握缓冲溶液的概念、组成和作用机制。掌握影响缓冲溶液pH的因素、应用Henderson-Hasselbalch方程式计算缓冲溶液的pH值。掌握缓冲容量的概念、影响因素及有关计算。熟悉配制缓冲溶液的原则、方法和步骤。了解医学上常用

2、缓冲溶液配方和标准缓冲溶液的组成。熟悉血液中的主要缓冲系及其在稳定血液pH过程中的作用。,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,实验 样品1：0.10 molL-1 NaCl溶液 样品2：含 HAc 和 NaAc 均为0.10 molL-1的 混合溶液操作：滴加强酸 HCl 至c(HCl)=0.010 molL-1观察现象：pH的变化,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,0.10 molL-1 NaCl溶液,NaCl溶液中加入HCl到0.010 molL-1 ，溶液的pH由7变为2，改变了5个pH单位。,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,0.10 molL-1 HAc 0.10 molL-1 NaAc溶液,0.10

3、molL-1 HAc 0.10 molL-1 NaAc溶液溶液中加入HCl到0.010 molL-1 ，溶液的pH由4.75变为4.74，改变仅0.01pH单位。,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,结论 HAc NaAc 混合溶液具有抵抗外来少量强酸、强碱而保持pH基本不变的能力。,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,一、缓冲溶液及其作用机制缓冲溶液（buffer solution）能够抵抗少量外来强酸、强碱，或在有限量稀释时，保持其pH基本不变的溶液。缓冲作用（buffer action）缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,3 缓冲作用机制：以HAcAc-体系为例当加入少量

4、强酸时，增加的H3O+与Ac-作用 ，质子转移平衡左移，溶液的pH保持基本不变。当加入少量强碱时， 加入的OH-与H3O+结合，质子转移平衡右移，补充消耗掉的H3O+离子，而溶液的pH保持基本不变。,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,用质子转移平衡式表示 加少量强酸：H3O + + Ac - HAc + H2O (大量)加少量强碱：H3O+ + OH- 2H2O HAc + H2O Ac- + H3O+ + (大量) HAc + OH - Ac- + H2O,抗碱成分,抗酸成分,示意图：,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,结论 缓冲溶液中同时含有较大量的抗碱成分和抗酸成分，分别

5、抵抗的只是外来的少量强酸、强碱。 通过共轭酸碱对的质子转移平衡的移动，使溶液中H+离子或OH-离子浓度无明显的变化，因此具有缓冲作用。,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,二、缓冲溶液的组成 一般由具有足够浓度和适当比例的共轭酸碱对的两种物质组成。共轭酸称为抗碱成分，共轭碱称为抗酸成分。 组成缓冲溶液的共轭酸碱对的两种物质合称为缓冲系(buffer system)或缓冲对(buffer pair)。,共轭酸,共轭碱,HAcNH4ClH2PO4-,NaAcNH3H2OHPO42-,抗酸成分,缓冲系,抗碱成分,组成示意图,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,常见的缓冲系,第二节 缓冲溶

6、液pH的计算,一、缓冲溶液pH的近似计算公式 1. 基本公式 HendersonHasselbalch方程式 弱酸(HB)及其共轭碱(B-)组成的缓冲溶液中,第二节 缓冲溶液pH的计算,2. HendersonHasselbalch方程式的应用由于缓冲溶液中存在同离子效应， B- c(B-) ， HB c(HB) 所以,第二节 缓冲溶液pH的计算,由于 c = n/V，所以,第二节 缓冲溶液pH的计算,根据 n = cV，若取储备液 c(B-) = c(HB),第二节 缓冲溶液pH的计算,3.缓冲溶液pH计算公式的意义缓冲溶液的pH主要取决于Ka。温度对Ka有影响。 pKa值一定，其pH随着缓

7、冲比B-/HB的改变而改变。当缓冲比等于l时，pH等于pKa。缓冲溶液稀释时，B-/HB比值基本不变，pH基本不变。上述公式只适用于缓冲溶液pH的近似计算。,第二节 缓冲溶液pH的计算,例 在500 mL 0.200 molL-1 NH3溶液中，加入4.78 g NH4Cl固体，配制1L缓冲溶液，求此缓冲溶液的pH。解 查表4-1，NH3H2O的pKb = 4.75，则 的pKa = 14.00 - 4.75 = 9.25 c(NH3) = 0.200 molL-1 /2 = 0.100 molL-1 pH = pKa,第二节 缓冲溶液pH的计算,例 柠檬酸 (缩写H3Cit)及其盐是一种供细

8、菌培养的常用缓冲体系，用0.100molL-1 NaH2Cit溶液与0.050 molL-1 NaOH溶液等体积混合，求此缓冲溶液的pH。解 H3Cit的pKa1=3.13、pKa2=4.76、pKa3=6.40。过量H2Cit-与OH-反应： H2Cit-(aq) + OH-(aq) HCit2-(aq) + H2O(l) 剩余的H2Cit-与生成的HCit2-组成缓冲系c(H2Cit-) = (0.100 - 0.050) molL-1 / 2 = 0.025 molL-1c(HCit2-) = 0.050 molL-1 / 2 = 0.025 molL-1,第三节 缓冲容量和缓冲范围,一

9、、缓冲容量 缓冲溶液的缓冲能力是有一定限度的。当加入过量的强酸或强碱，缓冲溶液的pH将发生较大变化，失去缓冲能力。用缓冲容量作为衡量缓冲能力大小的尺度。定义为,愈大，说明缓冲溶液的缓冲能力愈强。,第三节 缓冲容量和缓冲范围,二、影响缓冲容量的因素 缓冲容量与缓冲溶液的总浓度c总(c总=HB+B-) 及B-、HB的关系,第三节 缓冲容量和缓冲范围,结论：缓冲容量与总浓度和缓冲比有关。总浓度的影响： 当缓冲比一定时，c总愈大，缓冲容量愈大。通常c总在0.050.2 molL-1之间。 缓冲比的影响：当总浓度一定时，缓冲比愈接近1，缓冲容量愈大。缓冲比等于1时，缓冲容量有最大值,第三节 缓冲容量和缓

10、冲范围,三、缓冲范围pH=pKa1变化范围称为有效缓冲范围。,第三节 缓冲容量和缓冲范围,缓冲容量与pH的关系（1）HCl+KCl（2）0.1 molL-1 HAc+NaOH（3）0.2 molL-1 HAc+NaOH（4）0.05 molL-1 KH2PO4+NaOH（5）0.05 molL-1 H2BO3+NaOH（6）NaOH+KCl,第三节 缓冲容量和缓冲范围,例 将0.20molL-1HB溶液和0.20molL-1 B-溶液 以9:1的体积比混合，计算缓冲系的缓冲容量。解：用相同浓度的共轭碱和共轭酸配制缓冲溶液时，其体积比等于缓冲比，取a V体积HB溶液与b V体积B-溶液混合,则B

11、- / HB = b / a， c总 = HB + B- = 0.20 molL-1，当a : b = 9 : 1时，,第四节 缓冲溶液的配制,一、缓冲溶液的配制方法（一）配制原则和步骤1选择合适的缓冲系（1）pH在pKa1缓冲范围内并尽量接近弱酸pKa。（2）缓冲系的物质必须对主反应无干扰。2所配缓冲溶液的总浓度要适当 一般总浓度0.05molL-10.2molL-1。3计算所需缓冲系的量 根据Henderson-Hasselbalch方程计算。4校正 需在pH计监控下，对所配缓冲溶液的pH校正。,第四节 缓冲溶液的配制,（二）常用配制方法1. 为操作方便，常用相同浓度的共轭酸碱配制缓冲溶液

12、。2. 可采用过量弱酸（碱）与强碱（酸）反应组成缓冲系，如： HAc (aq, 过量) + NaOH(aq) NaAc(aq) + H2O(l) 优点： HCl 和 NaOH 溶液为常备试剂，容易获得。 弱酸或弱碱的浓度即缓冲系的总浓度。 通常缓冲溶液的pH需要在pH计监控下调整，滴加强碱/酸易于操作。,第四节 缓冲溶液的配制,例 如何配制pH=4.50的缓冲溶液1000mL?解 (1) 选择缓冲系 由于HAc的pKa= 4.756，接近所配缓冲溶液 pH=4.50，所以可选用HAc-Ac-缓冲系。 (2)确定总浓度，计算所需缓冲系的量 一般要求具备中等缓冲能力即可，并考虑计算 方便，选用0.

13、10molL-1的HAc和0.10molL-1 NaAc溶液。应用式(4.5)可得,第四节 缓冲溶液的配制,设 V(NaAc) = x mL则 ： V(Ac-) = x mL = 355mLV(HAc)= 1000mL - 355mL= 645mL,第四节 缓冲溶液的配制,例 pH接近于7.0的磷酸盐缓冲溶液常用来培养酶。现采用H3PO4与NaOH溶液混合配制pH = 6.90的缓冲溶液，在450 mL0.10 molL-1的H3PO4溶液中，应加入多少mL0.10 molL-1 NaOH溶液？已知H3PO4的pKa1 = 2.16、pKa2 = 7.21、pKa3 = 12.32 (忽略溶液

14、体积加合引起的体积变化)。 解 根据配制原则，应选 缓冲系， 质子转移反应分两步进行： (1) H3PO4 (aq) + NaOH(aq) = NaH2PO4(aq) + H2O(l) (2) NaH2PO4 (aq) + NaOH(aq) = Na2HPO4 (aq) + H2O(l),第四节 缓冲溶液的配制,(1) H3PO4 (aq) + NaOH(aq) = NaH2PO4(aq) + H2O(l) 将H3PO4完全中和生成NaH2PO4，需0.10 molL-1NaOH 450 mL，并生成NaH2PO4 450 mL 0.10 mol L-1 = 45 mmol (2) NaH2P

15、O4 (aq) + NaOH(aq) = Na2HPO4 (aq) + H2O(l) 设中和部分NaH2PO4需NaOH溶液的体积V(NaOH) = x mL，则生成Na2HPO40.10 x mmol，剩余NaH2PO4 (45 - 0.10x) mmol， 解得 x = 148 共需NaOH溶液的体积为： 450 mL + 148 mL = 598 mL,第四节 缓冲溶液的配制,二、标准缓冲溶液标准缓冲溶液性质稳定，有一定的缓冲容量和抗稀释能力，用来校准pH计。,第五节 血液中的缓冲系,一、血液中存在的缓冲系 血浆中：H2CO3 -HCO3- 、H2PO4-HPO42- 、HnP-Hn-1

16、P- 红细胞中： H2b-Hb-(血红蛋白)、H2bO2-HbO2-(氧合血红蛋白)H2CO3-HCO3-、H2PO4-HPO42- 因为血液中存在多种缓冲系，以及在肾、肺共同 协调作用下，所以其pH保持在7.357.45之间 。,第五节 血液中的缓冲系,上述缓冲系中，碳酸缓冲系的浓度最高，在维持血液pH的正常范围中发挥的作用最重要。 来源于呼吸作用的二氧化碳溶于血液生成的碳酸，与其离解产生的碳酸氢根离子，以及血液中贮存的碳酸氢根离子达成平衡：,CO2 + H2O,B-,H+,第五节 血液中的缓冲系,第五节 血液中的缓冲系,当体内酸性物质增加, HCO3-与H3O+结合，平衡左移；体内碱性物质

17、增加时，H3O+结合OH-，H2CO3(CO2溶解) 解离，平衡右移，pH明显改变。HCO3-在一定程度上可以代表血浆对体内所产生的酸性物质的缓冲能力，所以常将血浆中的HCO3-称为碱储。若血液的pH小于7.35，则会发生酸中毒(acidosis)；若pH大于7.45，则发生碱中毒(alkalosis)。若血液的pH小于6.8或大于7.8，就会导致死亡。,第五节 血液中的缓冲系,正常情况下，HCO3-与CO2 (aq) 的分别为24mmolL-1 及1.2mmolL-1。37时，若血浆中离子强度为0.16，经校正后， pKa=pKa1 =6.10， pH6.10 + lg =7.40,二、下列情况均需pH一定的缓冲溶液大多数为酶所控制的生化反应微生物的培养组织切片细胞染色药物调剂、研制等,第五节 血液中的缓冲系,