大一基础化学 缓冲溶液

1、1 第四章第四章 缓冲溶液缓冲溶液 Buffer Solution 2 一、缓冲溶液的组成和作用机制一、缓冲溶液的组成和作用机制 缓 冲 溶 液 示 意 图 (0.1mol/L) NaAc (0.1mol/L) HAc 0.1mol/L HCl 3 共轭酸 HAc NH4Cl H2PO4- 共轭碱 NaAc NH3H2O HPO42- 缓冲对 抗碱成分 Anti-Base component 抗酸成分 Anti-Acid component 缓冲溶液 定义：由弱酸及其共轭碱所组成的具有抵抗少量酸、碱 或稀释而保持 pH 值基本不变的混合液，称为缓冲溶液。 4 常见缓冲溶液的分类 (一)弱酸及其

2、共轭碱 如： HAc/NaAc; H 2CO3/NaHCO3 (二)弱碱及其共轭酸 如： NH 3 H2O /NH4Cl；CH3NH2/CH3NH3+Cl - (三)多元酸酸式盐及其共轭碱 如：NaHCO 3/Na2CO3；NaH2PO4/Na2HPO4 5 以HAc-NaAc 缓冲溶液为例（与酸作用） HAc + H2OH3O+ + Ac - NaAc Na+ + Ac - 少量H + 平衡向左移动 共轭碱是抗酸成分 缓冲溶液的作用原理缓冲溶液的作用原理 6 以HAc-NaAc缓冲溶液为例（与碱作用）： HAc + H2OH3O+ + Ac - NaAc Na+ + Ac - 少量OH -

3、平衡向右移动 共轭酸是抗碱成分 7 血浆中的缓冲系主要有 : H2CO3 HCO3- - H2PO 4-HPO4 2 - H n Pr-H n-1 P r - H+ OH- CO 2 肺呼出 肾 红细胞中的缓冲系主要有： H 2CO3-HPO3 2 - HHb - Hb - HHbO 2-HbO2- H 2PO4-HPO4 2 - 人体血液中的缓冲对主要有：人体血液中的缓冲对主要有： 8 二、缓冲溶液的二、缓冲溶液的PH计算计算 ?一元弱酸及其共轭碱组成的缓冲溶液一元弱酸及其共轭碱组成的缓冲溶液 ?多元酸酸式盐与其共轭碱缓冲溶液 9 HB + H 2O H3O + + B- + B- NaB

4、Na + 3 a3a aa HOBHB HO HBB B pHplgplg HB KK KK ? ? ? ? ? 共轭碱 共轭酸 弱酸（HB）和共轭碱（B）组成的缓冲溶液： 一元弱酸及其共轭碱组成的缓冲溶液 10 324 32 4 4 32 ()()() () () () () () a pOH pKb + lg B pHplg HB NH H OOHNH bb OH NH H O NH NH NH H O cc c KcK cc c c K ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = = 弱碱与其共轭酸组成缓冲溶液弱碱与其共轭酸组成缓冲溶液 11 缓冲溶液pH值的计算公式 (Hend

5、erson Hasselbalch 方程式 ) lgp HB B lgppH aa 共轭酸 共轭碱 ? ? KK HB B a V V lg pK - ? ? ? ? ? ? ? ? ? 等浓度的弱酸及共轭碱 HB B a n n lg pK - ? ? ? ? ? ? ? 物质的量来表示 12 等体积的0.2mol/LHAc与0.2mol/LNaAc混合， 计算其 pH值。 pH = 4.75 +lg（0.1/0.1）= 4.75 b a a C pH = pKlg C + 13 解 : 缓冲体系为NH 4 + NH 3 , pKa(NH4+) = 14 pKb = 9.25 pH = pK

6、a + lg n(NH3) / n(NH4+) = 9.25 + lg (0.10 20) / (0.20 15) = 9.25 0.17 = 9.08 计算计算0.10 molL -1 NH 3 20 mL和 和0.20 molL -1 NH 4Cl 15 mL混合溶液的混合溶液的pH值。值。 pK b(NH3) = 4.75 14 Na 2HPO4-Na3PO4缓冲溶液： )NaHCO( )CO(Na lgppH 3 32 a2 c c K? )HPO(Na )PONa( lgppH 42 43 a3 c c K? NaHCO 3-Na2CO3缓冲溶液： 多元酸酸式盐与其共轭碱缓冲溶液 1

7、5 例：在浓度各为0.1mol/L 的1LHAc 和Ac-的混合溶 液中分别加入0.01molHCl; 0.01mol NaOH (设体积不变 )和稀释5倍后，问pH 值变化如何？ 加酸后： HCl + NaAc = HAc + NaCl 0.01 0.01 加碱后： NaOH + HAc = NaAc + H 2O 0.01 0.01 稀释5倍后 pH = 4.75 + lg（0.09/0.11）= 4.66 pH = 4.75 + lg（0.11/0.09）= 4.84 pH = 4.75 + lg（0.02/0.02）= 4.75 解：原来的 pH = 4.75 + lg 0.1/0.1

8、 = 4.75 16 例：5ml 1mol/L NH 3H2O和15ml0.2mol/LNH4Cl混合， 计算混合液的pH. K b = 1.76 10-5 解：混合后， c(NH 3H2O)= 51/20 = 0 .25 (mol/L) c(NH 4Cl) = 0.215/20 = 0.15 (mol/L) pOH = pK b + lg（Ca/Cb）= 4.75 + lg(0.15/0.25) =4.53 pH = 14 4.53 = 9.47 17 例：等体积的 0.2 mol/L NH 3.H2O与0.05mol/L HCl 混合 ，计算溶液的pH. 解： NH 3.H2O + HCl

9、 = NH4Cl + H2O c(NH 4Cl)= 0.05/2= 0.025 (mol/L) c(NH 3.H2O) = (0.2-0.05)/2 = 0.075 ( mol/L) pOH = 4.75 +lg(0.025/0.075) = 4.27 pH = 14 - 4.27 = 9.73 18 缓冲溶液pH值的计算公式的校正 - - - B HB B HB B HB pHplg B plg HB B plglg HB a a a a K a K K ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 19 将 0.3 molL -1 HAC 溶液 10mL 与 0.1molL-1

10、NaOH 溶液 10mL 混合，求所得溶液的近似 pH 和校正后的精确 pH，已 知 HAC 的p a K ? =4.75 。 解：混合液中一部分 HAc 与 NaOH 作用生此 NaAc，并组 成 HAcNaAc 缓冲溶液 0.1 0.01 0.05 0.02 Ac c ? ? ? molL -1 0.3 0.01 0.1 0.01 0.1 0.02 HAc c ? ? molL -1 (1)近似计算 0.05 pH=plg4.75lg4.45 0.1 Ac a HAc c K c ? ? ? 20 (2) 准确计算 NaAc c =0.05molL -1 NaAc 是强电解质， 离子强度

11、222 11 =(0.05 10.05 1 )0.05 22 ii Ic z ? ? 查表 4-1，当 I=0.05，z=0 时，校正因子 - B HB lg0.08 ? ? ? ? - - B HB Ac pHplglg4.450.084.38 HAc a K ? ? ? ? 21 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围 22 缓冲容量 缓冲容量 是指使单位体积 (1L或lmL)的缓冲溶液 的pH值改变 1个单位时，所需加入一元强酸或一元强 碱的物质的量(mol或mmol)。 n pH ? ? ? 23 例 在1L0.100molL-1HAc-0.100molL-1NaAc缓冲溶液中， 加入0

12、.001molHCl或0.001mol NaOH ，求缓冲容量。 解: (l)加入HCl时的缓冲容量: 加入HCl后， HAc=0.100+0.001 =0.101(mol.L -1) Ac -=0.100-0.001 =0.099 (mol.L-1) 0.099 4.75lg4.750.0094.74 0.101 pH ? ? 0.001 0.1 4.744.75 n pH ? ? ? 24 (2)加入加入NaOH时的缓冲容量时的缓冲容量: 加入加入NaOH后，后， HAc=0.100-0.001 =0.099(molL -1) Ac -=0.100+0.001=0.101(molL-1)

13、1 0.101 4.75lg4.750.0094.76 0.099 4.764.750.01 n0.001 n0.001 0.1 0.01 pH pH mol L pH ? ? ? ? ? ? ? 25 1.缓冲溶液的总浓度c总 2.与缓冲溶液的缓冲比有关 影响缓冲容量的因素 26 值极小 (最大) 值极小 缓冲容量减弱 缓冲容量减弱 pH=pK a1 10 1 A B ? c c 1 10 A B ? c c 1 A B ? c c 缓冲范围： pK a1 pH p Ka1 pH=pKa1 pH=pKa pH=pKa1 缓冲溶液的缓冲范围 27 缓冲溶液的配制 1选择适当的缓冲系 所选缓冲系

14、共轭酸的pKa值与所需pH值越接近越好。 2缓冲溶液要有适当的总浓度 。 在0.05-0.2 molL -1间为宜。 3、缓冲溶液的pH值落在所选缓冲对的pKa范围内。 28 b a a C pH = pKlg C + bb b aa a CV V V CV V V ? ? ? aa pH = pKlgpKlg+ 所需共轭酸碱量的计算 当所用共轭酸和共轭碱浓度相等时 b a aa b b a CV CV V CV CV V ? ? ? ? ? aa pH = pKlgpKlg+ 当所用共轭酸和共轭碱浓度不相等时 29 ? 例 配制pH=5.10缓冲溶液100mL，需0.10 molL -1HO

15、Ac 和0.10 molL-1NaAc各多少毫升？ ?解：设需HAc溶液的体积为Va，NaAc溶液的体积为Vb Va + Vb =100 Va =100 - Vb a VV Klg4.75lg V100-V bb a b pHp? Vb=69mL，Va=3lmL 需0.10 molL-1HOAc 3lmL, 0.10 mol L-1 NaOAc 69mL 。 24. 2 100 ,35. 0 100 lg b b b b ? V- V V- V 30 用 NH 4Cl 固体和 NaOH 溶液来配制 总浓 度为 0.125mol L -1,pH=9.00 的缓冲溶液 1L，求需 NH 4Cl 固

16、体的质量 ?所需 1.00 mol L -1NaOH 溶液的体积 ? 解： 需 NH4Cl 0.125 1 53.5=6.69g pH = pKa+lg (C B-/ CHB) 9.00=9.25+lgV/(0.125-V) VNaOH=0.045L=45mL 31 三(羟甲基)甲胺(简写为Tris)缓冲系是目前最广泛采 用的符合生理学和生化要求的缓冲系， 今欲配制 pH 值为 7.40 的缓冲溶液，问在 100 ml 含有 Tris 和 TrisH + 各为 0.050 mol/L 的溶液中，需加入 0.050 mol/L 的 HCl 溶液的体积? (已知 TrisH + 的 pK a7.8

17、5)。 32 解： 设需加入 0.050 mol/L 的 HCl 溶液x ml， 则： x x c ? ? ? 100 0.0500.050100 (Tris) x x c ? ? ? ? 100 0.0500.050100 )(TrisH 代入亨-哈方程式： x x 0.0500.050100 0.0500.050100 lg7.587.40 ? ? ? 解得：x48 ml。 33 小小 结结 1、缓冲溶液的组成和作用机制 2、缓冲溶液的pH计算 3、缓冲绒容量和缓冲范围 4、缓冲溶液的配置 b a a C pH =pKlg C + n pH ? ? ? 缓冲范围： pKa1 pH p Ka1 a V Klg V b a pHp? 34 用 0.020molL -1H 3PO4 溶液和 0.020molL -1NaOH 溶液配 制 pH=7.40 的生理缓冲溶液 100mL， 求 H3PO 4 和 NaOH 溶 液的体积？ 已知H3PO 4的pKa1=2.16，pKa2=7.21, pKa3=12.32 35 解：PH=7.40 需需 H2PO4-HPO42- Ka=7.21 pH=pKa+lg(CHPO4 2-/ C H2PO4 - ) 7.40=7.