医学基础化学缓冲溶液培训课件

1、医学基础化学缓冲溶液医学基础化学缓冲溶液 4.1 缓冲溶液及缓冲机制 4.2 缓冲溶液pH值的计算 4.3 缓冲容量和缓冲范围 4.4 缓冲溶液的配制 4.5 血液中的缓冲系缓冲溶液医学基础化学缓冲溶液2 4.1 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液医学基础化学缓冲溶液许多化学反应，特别是生物体内的反应，只有在一定pH值的条件下才能正常进行。如配位滴定测水总硬度 终点变色与pH值控制有关酶的活性 pH稍稍偏离，则大为降低甚至丧失人的体液 超出正常pH范围，则会生病或死亡因此，维持溶液和体液的pH值基本不变，在化学和医学上都意义重大。医学基础化学缓冲溶液3许多化学反应，特别是生物体内的反应，只有在一定pH

2、值的条件下 成人胃液 0.9 1.5 婴儿胃液 5.0 柠檬汁 2.4 醋 3.0 葡萄汁 3.2 橙汁 3.5 尿 4.88.4 唾液 6.57.5 牛奶 6.5 乳 汁 6.0 6.9 血液、脑脊液 7.357.45 眼泪 7.4 胰液 7.5 8.0 小肠液 7.6 大肠液 8.3 8.4 一些常见体液和果汁的pH值医学基础化学缓冲溶液4 成人胃液 0.9 14.1 缓冲溶液(buffer solution)及缓冲机制加入1滴(0.05ml) 1molL-1 HCl 加入1滴(0.05ml) 1molL-1 NaOH实验：50ml NaCl pH = 3 pH = 11 0.20molL

3、-1 pH = 750ml HAc-NaAc (均为0.10molL-1) pH = 4.74pH = 4.73 pH = 4.75医学基础化学缓冲溶液54.1 缓冲溶液(buffer solution)及缓冲机制 NaClHAc NaAc绿绿H+ +红+ OHH+ +蓝黄绿+ OH蓝绿酸性 中性 碱性通用指示剂医学基础化学缓冲溶液6 NaClHAc NaAc绿绿H+ +红+ OHH+这种能抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释，而保持其 pH值基本不变的溶液称为缓冲溶液（buffer solution）。其抵抗作用称为缓冲作用（buffer action）。缓冲溶液在化学和生物医学系统中占有重要地

4、位。思考：按酸碱质子理论，什么样的溶液具有这种作用呢？缓冲溶液的定义医学基础化学缓冲溶液7这种能抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释，而保持其 pH值基本1、较浓的强酸或强碱2、两性物质3、足够浓度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）。本章主要介绍对象缓冲溶液的组成医学基础化学缓冲溶液81、较浓的强酸或强碱2、两性物质3、足够浓度的共轭酸碱对的两医学基础化学缓冲溶液9医学基础化学缓冲溶液9某些常见的缓冲系 缓冲系 pKa(25) pH范围 HAc-NaAc 4.76 3.765.76 H2CO3-NaHCO3 6.35 5.357.

5、35 H3PO4-NaH2PO4 2.16 1.163.16 NH4Cl-NH3 9.25 8.2510.25 NaH2PO4- Na2HPO4 7.21 6.28.2 Na2HPO4-Na3PO4 12.32 11.313.3 医学基础化学缓冲溶液10某些常见的缓冲系 缓冲系 缓冲作用机制以HAc NaAc为例来说明缓冲溶液的作用机制HAc + H2O H3O+ + AcNaAcNa+ + AcHAc本身为弱电解质，又由于Ac同离子效应的影响，故几乎全部以分子的形式存在。在此混合体系中：Na+ 、HAc、Ac的浓度较大，其中HAc Ac为共轭酸碱对。医学基础化学缓冲溶液11缓冲作用机制以HA

6、c NaAc为例来说明缓冲溶液的作用机HAc + OHAc+ H2OH+ +平衡右移抗酸成分anti-acid mechanismH2O医学基础化学缓冲溶液12HAc + OHAc+ H2OH+ +平衡右移抗酸成分HAc + H2O H3O+ + Ac+OHH2O平衡右移抗碱成分anti-base mechanism医学基础化学缓冲溶液13HAc + H2O H3O+ + Ac+OHH2O平衡右4.2 缓冲溶液pH值的计算以HB-NaB组成的缓冲体系为例：HB + H2OH3O+ + BNaB Na+ + BKa =H3O+BHBH3O + = KaHBB两边同时取负对数可得：缓冲溶液pH值的

7、近似计算公式医学基础化学缓冲溶液144.2 缓冲溶液pH值的计算以HB-NaB组成的缓冲体系为pH = pKa + lg BHB= pKa + lg共轭碱共轭酸亨德森(Henderson-Hasselbalch)方程式中pKa ：共轭酸酸常数的负对数B、HB：平衡浓度B / HB：缓冲比，B+HB：总浓度HB = cHB cHB解离 B = cNaB + cHB解离 cHB cNaB医学基础化学缓冲溶液15pH = pKa + lg BHB= pKa + pH = pKa + lgcBcHB= pKa + lgnB / VnHB / V= pKa + lg nBnHB若使用相同浓度的弱酸及其共

8、轭碱配制缓冲溶液，则c0B = c0HB （混合前）。混合体系中pH = pKa + lg c0B VB c0HB VHB= pKa + lgVBVHB上述三种计算式是不同的表示形式。医学基础化学缓冲溶液16pH = pKa + lgcBcHB= pKa + lgn医学基础化学缓冲溶液17医学基础化学缓冲溶液17医学基础化学缓冲溶液18医学基础化学缓冲溶液18例：若在 50.00ml 0.150molL-1 NH3 (aq)和 0.200 molL-1 NH4Cl组成的缓冲溶液中，加入0.10ml 1.00 molL-1的HCl ，求加入HCl前后溶液的pH值各为多少？解：加入 HCl 前:医

9、学基础化学缓冲溶液19例：若在 50.00ml 0.150molL-1 NH3 加入 HCl后: NH3(aq) + H2O (l) NH4+ (aq) + OH-(aq)加HCl前0.150-0.0020-x 0.200+0.0020+x x0.150 0.200加HCl后0.150-0.0020 0.200+0.0020平衡浓度医学基础化学缓冲溶液20加入 HCl后: NH3(aq) + H2O (l) 当缓冲溶液中外加少量强酸时：根据缓冲机制和平衡移动原理：pH =pKa + lg共轭碱酸外加共轭酸+酸外加当缓冲溶液中外加少量强碱时：pH = pKa + lg共轭碱+碱外加共轭酸碱外加医

10、学基础化学缓冲溶液21当缓冲溶液中外加少量强酸时：根据缓冲机制和平衡移动原理：pH讨论：上述计算缓冲溶液pH值的公式是否准确、严谨？计算值与pH计的实验测量值是否吻合？影响因素有哪些？医学基础化学缓冲溶液22讨论：上述计算缓冲溶液pH值的公式是否准确、严谨？计算值与p1、温度 温度变化可引起活度因子 改变；水的离子积Kw随温度的升高而增大；温度变化使共轭酸的Ka改变。总之，温度对pH值的影响比较复杂，不再深入讨论。2、缓冲比 当Ka 一定时，pH值随缓冲比的变化而变化。3、稀释 稀释引起离子强度的改变，故pH值也随之有微小的改变。影响pH计算值与实验值差异的因素：医学基础化学缓冲溶液231、温

11、度 温度变化可引起活度因子 改变；水的离子积二、缓冲溶液pH计算公式的校正为使计算值准确，并与测定值接近，必须考虑离子强度的影响。pH = pKa + lga(B)a(HB)= pKa + lgB (B)HB (HB)= pKa + lgBHB+ lg (B) (HB)上式即为校正公式校正因数，与共轭酸的电荷数和溶液的I 有关。可查表。医学基础化学缓冲溶液24二、缓冲溶液pH计算公式的校正为使计算值准确，并与测定值接近4.3 缓冲容量和缓冲范围一、缓冲容量缓冲溶液的缓冲能力都是有限度的。1922年，Slyke V 提出用缓冲容量 作为衡量缓冲能力大小的尺度。医学基础化学缓冲溶液254.3 缓冲

12、容量和缓冲范围一、缓冲容量缓冲溶液的缓冲能力都是缓冲容量 buffer capacity 使单位体积缓冲溶液的pH值发生一定改变时所能抵抗的外加一元强酸或一元强碱的物质的量。平均缓冲容量(实验测定值) 瞬时缓冲容量(微分式定义)单位：mol L1 pH1医学基础化学缓冲溶液26缓冲容量 buffer capacity 若缓冲比B / HBb/a，则由微分定义式可导出共轭酸碱对组成的缓冲溶液的瞬时缓冲容量： 即 = 2.303 a/(ab) b/(ab) c总单位：mol L1 pH1 = 2.303 HB/(HBB) B/(HBB) c总医学基础化学缓冲溶液27若缓冲比B / HBb/a，则由

13、微分定义式可导出二、影响缓冲容量的因素1、缓冲比，即B / HB ；2、缓冲溶液的总浓度，即B + HB 。医学基础化学缓冲溶液28二、影响缓冲容量的因素医学基础化学缓冲溶液28最大医学基础化学缓冲溶液29最大医学基础化学缓冲溶液291、缓冲比对缓冲容量的影响当总浓度一定时：cBcHB=11(最大)cBcHB=101缓冲容量减小 值极小cBcHB=110小减量容冲缓 值极小结论：缓冲比越接近1，缓冲容量越大。缓冲比等于1时，最大= 0.576c总医学基础化学缓冲溶液301、缓冲比对缓冲容量的影响当总浓度一定时：cBcHB=12、总浓度对缓冲容量的影响结论：对同一缓冲溶液，当缓冲比相同时，总浓度

14、较大的，其缓冲容量也较大。医学基础化学缓冲溶液312、总浓度对缓冲容量的影响结论：对同一缓冲溶液，当缓冲比相同三、缓冲范围实验证明：缓冲比大于10 1或小于1 10，即溶液的pH与pKa 相差超过一个pH单位时，几乎丧失缓冲能力。pH = pKa 1又称有效缓冲范围（buffer effective range）医学基础化学缓冲溶液32三、缓冲范围实验证明：缓冲比大于10 1或小于1 14.4 缓冲溶液的配制一、缓冲溶液的配制方法1、 选择适当缓冲系 ，pKa应尽量接近目标pH值； 2、 总浓度适当，一般以0.050.2molL-1为宜； 3、计算所需共轭酸和共轭碱的量； 4、仪器校正。 医学

15、基础化学缓冲溶液334.4 缓冲溶液的配制医学基础化学缓冲溶液33医学基础化学缓冲溶液34医学基础化学缓冲溶液34医学基础化学缓冲溶液35医学基础化学缓冲溶液35医学基础化学缓冲溶液36医学基础化学缓冲溶液36医学基础化学缓冲溶液37医学基础化学缓冲溶液37医学基础化学缓冲溶液培训课件例题：如何用浓度均为0.10 mol L1的共轭酸和共轭碱配制100ml pH 值为5.00的缓冲溶液。解： 由缓冲范围的有效区间可知，所选择的缓冲对中 pKa 值应在4 6之间。HAc的pKa 为4.75，因此可选择 HAc-Ac 缓冲对。设需HAc溶液 x ml，则NaAc溶液为(100 x) ml因两溶液浓

16、度相等5.00 = 4.74 + lg100 xx解得：x = 35.5 ml将35.5ml 0.10 mol L1 HAc溶液与64.5ml 0.10 mol L1 NaAc溶液混合均匀即得。如有必要，可用 pH 计校正。医学基础化学缓冲溶液39例题：如何用浓度均为0.10 mol L1的共轭酸和共例题：欲配制450mL，pH = 4.70 的缓冲溶液，取实验室中0.10 molL-1 的HAc 和0.10molL-1 的NaOH 溶液各多少混合即成。解：因选择pKa=4.74的HAc-NaAc为缓冲系处在缓冲范围之内设所需HAc和NaOH的体积为VHAc 和 VNaOH ，且必须HAc过量

17、则 HAc + NaOH NaAc + H2O反应前 0.10 VHAc 0.10 VNaOH 0反应后 0.10 (VHAc VNaOH ) 0 0.10 VNaOH 根据亨德森公式 4.70=4.74 +且VHAc + VNaOH =450mL 计算得VHAc =305mL, VNaOH =145mL 医学基础化学缓冲溶液40例题：欲配制450mL，pH = 4.70 的缓冲溶液，取实例题：欲配制37时pH近似值为7.40的缓冲溶液，问在Tris和TrisHCl均为0.050 mol L-1的100mL溶液中，需加入0.050 mol L-1HCl多少毫升？（已知TrisHCl在37时的p

18、Ka=7.85）解：设需加HCl x mL，则：根据亨德森公式7.40=7.85+ 得x = 48mL注： Tris的化学式为(HOCH2)3CNH2，是一种弱碱，医学上常用。医学基础化学缓冲溶液41例题：欲配制37时pH近似值为7.40的缓冲溶液，问在Tr课堂练习题: 用 0.025molL-1 H3PO4和 0.025molL-1 NaOH溶液来配制的pH值为12.0的缓冲溶液100mL。试计算所需H3PO4和NaOH溶液的体积。已知pKa1 = 2.17，pKa2 = 7.20 ，pKa3 = 12.32。医学基础化学缓冲溶液42课堂练习题: 医学基础化学缓冲溶液42二、标准缓冲溶液使用

19、pH计测量溶液的pH值时，必须先用标准缓冲溶液标定仪器，标准缓冲溶液的pH值是在一定温度下通过实验准确测定的。 医学基础化学缓冲溶液43二、标准缓冲溶液使用pH计测量溶液的pH值时，必须先用标准缓常用标准缓冲溶液 表中温度系数为“+ ”时，表示缓冲溶液的pH值随温度的升高而增大；温度系数为“ ”时，则表示pH值随温度的升高而减小。在配制标准缓冲溶液时，要求水的纯度很高，一般用重蒸馏水，配制碱性(pH7 )的标准缓冲溶液时，要用新排除CO2 的重蒸馏水。注：两性物质解离生成两个缓冲对；1mol硼砂相当于2mol的偏硼酸HBO2和2mol的偏硼酸钠NaBO2。 溶 液 浓度/(molL-1) pH

20、(25) 酒石酸氢钾（KHC4H4O4） 饱和，25 3.557 0.001 邻苯二甲酸氢钾（KHC8H4O4） 0.05 4.008 0.001 KH2PO4-Na2HPO4 0.025, 0.025 6.865 0.003 KH2PO4-Na2HPO4 0.008695,0.03043 7.413 0.003 硼砂（Na2B4O710H2O） 0.01 9.180 0.008 医学基础化学缓冲溶液44常用标准缓冲溶液 表中温度系数为“+ ”时，表示缓冲溶液的p4.5 血液中的缓冲系粗略估计每人每天耗用600升氧气，产生480升二氧化碳，21mol碳酸，其酸量约相当于2升浓盐酸。除了肺、肾的

21、生理调节外，正常人血液的pH值之所以相当稳定，主要应归功于血液中存在多种缓冲系的缓冲作用。其中主要的缓冲系是H2CO3-HCO3-。医学基础化学缓冲溶液454.5 血液中的缓冲系粗略估计每人每天耗用600升氧气，产医学基础化学缓冲溶液46医学基础化学缓冲溶液46医学基础化学缓冲溶液47医学基础化学缓冲溶液47碳酸在溶液中主要以溶解状态的CO2形式存在。血浆中的碳酸缓冲系pH值校正后的计算式为pH = pKa + lgHCO3CO2(溶解)正常人血浆中的离子强度I = 0.16，体温为37C， pKa = 6.38经校正后pKa = 6.10，且HCO3 / CO2(溶解) = 20 / 1 。

22、正常血浆中：pH = 6.10 + lg 20 / 1 = 7.40医学基础化学缓冲溶液48碳酸在溶液中主要以溶解状态的CO2形式存在。血浆中的碳酸缓冲小结：缓冲溶液的组成和作用缓冲作用机制：抗酸、抗碱成分通过平衡移动，达到保持溶液pH值基本不变。pH值的计算(重点)pH = pKa + lg共轭碱共轭酸有三种表示形式公式的校正：用活度表示浓度校正因子 lgB / HB 与溶液的离子强度及共轭酸的电荷数有关。医学基础化学缓冲溶液49小结：缓冲溶液的组成和作用缓冲作用机制：抗酸、抗碱成分通过平影响缓冲溶液pH值的因素：温度、缓冲比、稀释等缓冲容量(重点)：缓冲能力的定量标度 = 2.303HBB / c总当缓冲比为1时，极大= 0.57