医用基础化学第四章缓冲体系.ppt

1、第四章 缓冲溶液 第一节 缓冲溶液及缓冲机制 一.缓冲溶液的缓冲作用和组成,加入1ml 1 molL-1HCl,加入1ml 1 molL-1NaOH,水稍加稀释时,pH = 4.98,pH = 2.00,pH = 5.02,pH = 12.00,pH值变化小,pH值变化大,抗酸,抗碱,抗稀释,缓冲溶液(buffer solution) 能抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释，而保持其pH值基本不变的溶液,H2CO3 NaHCO3 Na2HPO4Na3PO4 H3PO4NaH2PO4 实际上缓冲溶液就是由有足够浓度的共轭酸碱对的两种物质组成. 组成缓冲溶液的共轭酸碱对被称为缓冲系(buffer sy

2、stem)或缓冲对(buffer pair,缓冲作用(buffer action) 缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用,二、缓冲机制 HAc + H2O Ac- + H3O+ NaAc Ac- + Na+ HAc Ac- 缓冲系中的共轭碱发挥抵抗外来强酸的作用，故称为缓冲溶液的抗酸成分（Ac-） 。 缓冲系中的共轭酸发挥抵抗外来强碱的作用，故称为缓冲溶液的抗碱成分（HAc),总之，由于缓冲溶液中同时含有较大量的抗 碱成分和抗酸成分，它们通过弱酸质子传递平衡 的移动，消耗抗碱成分和抗酸成分抵抗外来的少 量强酸、强碱，使溶液H3O+或OH-浓度没有明显 的变化,第二节 缓冲溶液的pH值 一、缓冲

3、溶液pH 的近似计算公式 以HB代表弱酸，NaB代表其弱酸盐，两者 组成缓冲溶液。溶液中HB和H2O建立质子传递 平衡 HB +H2O H3O+B- NaB Na+ + B,B-与HB的比值称为缓冲比，B-与HB之和 称为缓冲溶液的总浓度。 上式称为HendersonHasselbalch方程式,HB的初始浓度为c(HB)，NaB的初始浓度为 c(NaB)，其已解离部分的浓度为c(HB)，则HB 和B-的平衡浓度分别为 HB c (HB) - c(HB) c (HB) B-c (NaB) + c(HB) c (NaB,此公式适用于混合后的缓冲溶液的pH计算,酸碱混合前后均可,如使用相同浓度的弱

4、酸及其共轭碱来配 制缓冲溶液，即c(HB)c(NaB)，分别量取 V(B-)体积的NaB和V(HB)体积的HB混合，则 此式适用于混合前，且时c(HB)c(NaB) 的情况,HendersonHasselbalch方程式,原始公式,第一种表达形式,第二种表达形式,第三种表达形式,缓冲溶液pH值的计算公式,1.pH值取决于Ka及缓冲比，而且与温度有关,2.同一缓冲系,pKa值一定。改变缓冲比，则pH值不同，当缓冲比1时, pH=pKa,3.解释了缓冲溶液抗稀释的原因，加水稀释时,物质量比不变。但 大量 稀释时，会引起溶液离子强度的改变，使HB和B-的活度因子受 到不同程度的影响，缓冲溶液的pH值

5、将会 有 极小的变化,例4-1 计算50ml 0.200molL-1NH3 .H2O中，加入4.78gNH4Cl固体，配制1升缓冲溶液，求此缓冲溶液的pH值。 解 此混合溶液的缓冲系为NH4+NH3 , 查表知pKa(NH4+)9.25 pHpKa+lg,第三节 缓冲容量和缓冲范围 一、缓冲容量 缓冲容量(buffer capacity)：单位体积缓冲溶液的pH值改变1（即pH=1）时，所需加入一元强酸或一元强碱的物质的量。 = 的单位为molL-1pH-1,缓冲容量作为缓冲能力大小的尺度。 越大，缓冲能力越强； 越小，缓冲能力越弱,二、影响缓冲容量的 因素 总浓度和缓冲比 是影响缓冲容量的两

6、个重要因素 可导出缓冲容量与缓冲溶液的总浓度 c总=HB+B- 及B-、HB的关系 = =2.303HBB-/c总,将式(4.8)右边分子、分母同乘c总HB+B-， 得,表明缓冲容量与缓冲比、缓冲系的 总浓度c总HB+B-有关， 图4-1表现了缓冲容量随缓冲系总浓度、 缓冲比及pH的变化而改变,缓冲溶液总浓度和缓冲比是影响缓冲容量的两个重要因素 （1）缓冲比一定时，总浓度越大，缓冲容量越大 （2）当c总一定时,缓冲比越偏离1时， 越小；当缓冲 比1时， 最大,总浓度一定时，缓冲比为 1时, 缓冲容量最大,三、 缓冲范围 当缓冲溶液的总浓度一定时，缓冲比愈接近1， 缓冲容量愈大；缓冲比愈远离1时

7、，缓冲容量愈小。 当缓冲比大于101(即pHpKa+1)或小于110 (即pH pKa-1)时，可认为缓冲溶液已基本失去缓 冲能力。 缓冲比在下列区间所对应的范围称为缓冲溶液 的有效缓冲范围(buffer effective range)。 pKa-1pHpKa+1,即 pH=pKa1 不同缓冲系，因各自弱酸的pKa值不同，所以缓冲范围也各不相同,第四节 缓冲溶液的配制,缓冲溶液的配制方法,1）根据缓冲溶液的组成，可直接取适量浓度的共轭酸碱物质进行配制 。 比如说：HAcNaAc体系，直接加入适量的HAc和NaAc进行配制,2）可用过量的弱酸和适量的强碱配制 比如：HAcNaAc体系，可用过量

8、的HAc和适量的NaOH配制，二者先发生反应，反应结束后溶液中有NaAc，与剩余的HAc组成缓冲溶液,3）可用过量的弱碱和适量的强酸配制 比如：NH3NH4Cl 体系，可用过量的氨水和适量的盐酸溶液配制，氨水和盐酸溶液反应生成NH4Cl，NH4Cl和溶液中剩余的氨水组成缓冲溶液,二缓冲溶液配制的原则和步骤,1. 选择合适的缓冲系,一方面：使所需配制的缓冲溶液的pH值在所选 缓冲系的缓冲范围(pKa1)之内，并尽量接近 弱酸的pKa值，这样所配制的缓冲溶液可有较大 的缓冲容量,另一方面：所选缓冲系物质应稳定、无毒，不能 与溶液中的反应物或生成物发生作用,2. 生物医学中配制缓冲溶液的总浓度要适宜

9、： 总浓度太低，缓冲容量过小；总浓度太高, 离子强度增大或渗透浓度过高而没有实际应 用价值，因此，在实际工作中，一般选用, 总浓度在0.050.2 molL-1 范围内。 3. 计算所需缓冲系的量：计算所需弱酸及其 共轭碱的量或体积 4. 校正,二、标准缓冲溶液,单一化合物能配制成缓冲溶液的原因： 1.是由于化合物溶于水解离出大量的两性离子致。 如酒石酸氢钾溶于水完全解离生成HC4H4O6-和K+，而HC4H4O6-是两性离子。HC4H4O6-在溶液中同时存在接受质子和给出质子的平衡。 HC4H4O6-+H+ H2C4H4O6 HC4H4O6- C4H4O62- +H+ 形成两个缓冲系 H2C

10、4H4O6HC4H4O6- pKa1= 2.98 HC4H4O6-C4H4O62- pKa2 =4.30 它们的缓冲范围重叠，增强了缓冲能力,2. 化合物溶液的组成成分就相当于一对缓冲对。 如硼砂溶液中，1mo1的硼砂相当于2mo1的偏 硼酸(HBO2)和2mo1的偏硼酸钠(NaBO2)。 Na2B4O7+H2O=2NaBO2+2HBO2 显然，在硼砂溶液中存有同浓度的HBO2(弱酸)和BO2- (共轭碱)成分,第五节 血液中的缓冲系 血浆中主要的缓冲对： 1. NaHCO3 H2CO3 2. 蛋白质钠盐蛋白质 3. Na2HPO4NaH2PO4 碳酸缓冲系在血液中浓度最高，缓冲能力最大， 在

11、 维持 血液 正常 pH 值 中 发挥 的 作用 最 重 要,碳酸在溶液中主要是以溶解状态的 CO2 形式存在。在CO2 HCO3-缓冲系中存在如下平衡,血液中pKa1(H2CO3)=6.10的原因： 1.体内温度未37而不是25 。 2. 血浆离子强度为0.16molkg-1 所以血浆中的碳酸缓冲系pH值的计算方程式为 pHpKa1(H2CO3)+lg 6.10+lg,正常人血浆中HCO3-和CO2(aq)浓度分别为 0.024molL-1和0.0012molL-1，可得到血液的 正常 pH值为 pH6.10 + lg 6.10 + lg 7.40,正常人血浆的pH值约为7.357.45 p

12、H7.45，碱中毒 pH7.35 , 酸中毒 在体内，HCO3-是血浆中含量最多的抗酸成分，在一定程度上可以代表血浆对体内所产生非挥发性酸的缓冲能力，所以将血浆中的HCO3-称为碱储,人体内正常血浆中HCO3- CO2(aq)缓冲系的缓 冲比为201 ，已超出前面讨论的体外缓冲溶液有效 缓冲比(即10 1 1 10)的范围，为什么还有很强的 缓冲能力？ 人体是一个“敞开系统”，既有物质的交换又有 能量的交换 ，当机体内 CO2(aq)或HCO3-的浓度 改变时，可由肺呼吸作用和肾的生理功能获得补偿 或调节，使得血液中的HCO3-和CO2(aq)的浓度保 持相对稳定。因此，血浆中的碳酸缓冲系总能保持 相当强的缓冲能力，特别是抗酸的能力,总 结,1.缓冲溶液 2.缓冲作用 3.缓冲机制 4.缓冲溶液pH计算,5.缓冲容量 =2.303c(HB)c(B-)/c总 6.影响缓冲容量的因素：缓冲比和总浓度 7.配制缓冲溶液 8.血液中的主要缓冲系及血液中碳酸缓冲系的作用,利用二元弱