基础化学缓冲溶液稿教学课件

1、第四章 缓冲溶液Buffer Solution第1页，共42页。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 缓冲范围第2页，共42页。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. 血液中的缓冲系第3页，共42页。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

2、冲溶液的原则、方法和步骤。了解医学上常用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4页，共42页。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5页，共42页。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6页，共42页。第一节 缓冲溶液及缓冲机制

3、0.10 molL-1 HAc 0.10 molL-1 NaAc溶液0.10 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7页，共42页。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8页，共42页。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

4、酸、强碱或稀释的抵抗作用。第9页，共42页。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10页，共42页。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

5、抗酸成分第11页，共42页。HAc Ac-H3O+OH-HAcAc-示意图：第一节 缓冲溶液及缓冲机制 Ac-HAc第12页，共42页。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13页，共42页。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

6、(buffer pair)。第14页，共42页。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15页，共42页。第一节 缓冲溶液及缓冲机制常见的缓冲系 第16页，共42页。第二节 缓冲溶液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HB + H2OH3O+ + B-pHpKa + lgpKa + lg第17页，共42页。第二节 缓冲溶液pH的计算 2. HendersonHasselbalch方程式的应

7、用由于缓冲溶液中存在同离子效应， B- c(B-) ， HB c(HB) 所以第18页，共42页。第二节 缓冲溶液pH的计算 由于 c = n/V，所以第19页，共42页。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20页，共42页。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21页，共42页。第二节 缓

8、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22页，共42页。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 H3Ci

9、t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23页，共42页。第三节 缓冲容量和缓冲范围一、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

10、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24页，共42页。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25页，共42页。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26页，共42页。第三节 缓冲容量和缓冲范围三、缓冲范围pH=pKa1变化范围称为有效缓冲范围。第27页，共42页。第三

11、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28页，共42页。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- / HB = b / a， c总 = HB +

12、B- = 0.20 molL-1，当a : b = 9 : 1时， 第29页，共42页。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30页，共42页。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。2. 可采用过量

13、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31页，共42页。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0.1

14、0molL-1的HAc和0.10molL-1 NaAc溶液。应用式(4.5)可得第32页，共42页。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33页，共42页。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、pK

15、a3 = 12.32 (忽略溶液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34页，共42页。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

16、 L-1 = 45 mmol (2) NaH2PO4 (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 - 0.10 x) mmol， 解得 x = 148 共需NaOH溶液的体积为： 450 mL + 148 mL = 598 mL第35页，共42页。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36页，共42页。第五节 血液中的缓冲系一、血液中存在的缓冲系

17、 血浆中：H2CO3 -HCO3- 、H2PO4-HPO42- 、HnP-Hn-1P- 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37页，共42页。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：第38页，共42页。抗酸成分抗碱成分CO2 + H2OB-共轭酸共轭碱H2CO3 H+ + HCO3-H+第五节 血液中的缓冲系第39页，共42页。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