缓冲溶液医学知识

缓冲溶液医学知识讲座第一节

缓冲溶液及缓冲机制1.缓冲溶液及其作用机制2.缓冲溶液的组成2023/10/292第四章缓冲溶液非缓冲溶液与缓冲溶液对比实验实验1：0.10mol·L-1NaCl溶液的pH约为7.0。实验2：

向上述0.10mol·L-1NaCl溶液内，滴加强酸HCl至c(HCl)=0.010mol·L-1，溶液的pH由7.0变为2.0，改变了5个pH单位。实验3：

向0.10mol·L-1NaCl溶液内，滴加强碱NaOH至c(NaOH)=0.010mol·L-1，溶液的pH由7.0变为12.0，改变了5个pH单位。实验4：向含HAc和NaAc均为0.10mol·L-1的混合溶液内，滴加强酸HCl至c(HCl)=0.010mol·L-1，溶液的pH由4.75变为4.74，改变仅0.01pH单位。。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。

（一）缓冲溶液（buffersolution）能够抵抗外来少量强酸、强碱，或稍加稀释时可保持其pH基本不变的溶液。

（二）缓冲作用（bufferaction）缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。一、缓冲溶液及其作用机制（三）缓冲溶液作用机制当加入少量强酸时，外来H+将质子传给Ac-

，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，OH-

接受H3O+传递的质子，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。

结论：1.缓冲溶液中同时含有较大量的抗碱成分和抗酸成分，对抗的只是外来的少量强酸、强碱。2.通过弱酸解离平衡的移动，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。一般由具有足够浓度和一定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(buffersystem)或缓冲对(bufferpair)。缓冲溶液中弱酸或弱碱的浓度之和即缓冲系的总浓度。二、缓冲溶液的组成缓冲溶液组成：共轭酸碱对。可通过下述方法形成缓冲溶液。（1）弱酸+共轭碱HAc(n1)+Ac-(n2)（2）弱酸+少量强碱HAc(n1)+OH-(n2)HAc(n1-n2)+Ac-(n2)+H2O（3）弱碱+少量强酸Ac-(n1)+H+(n2)Ac-(n1-n2)+HAc(n2)

常见的缓冲系

较浓的强酸如HCl溶液或较浓的强碱如NaOH溶液,当加入少量的强碱或强酸时，其pH也基本保持不变。它们虽具有缓冲作用，但无抗稀释能力。由于这类溶液的酸性或碱性太强，实际上很少当作缓冲溶液使用。第二节

缓冲溶液pH的计算

1.缓冲溶液pH的近似计算公式2.缓冲溶液pH计算公式的校正2023/10/2916第四章缓冲溶液一、缓冲溶液pH值近似计算公式（一）Henderson—Hasselbalch方程式以HB代表弱酸，并与B-组成缓冲溶液。

这是计算缓冲溶液pH的方程式。式中pKa为弱酸的解离平衡常数的负对数，平衡浓度[B-]与[HB]的比值称为缓冲比（buffer-componentratio）。

设在缓冲溶液中弱酸HB的初始浓度为c(HB)，弱碱B-的初始浓度为c(B-),已解离的HB浓度为c′(HB)，则HB和B-的平衡浓度分别为：即（二）Henderson—Hasselbalch方程式的意义1.缓冲溶液的pH首先取决于pKa

，其次是缓冲比。pKa一定时，缓冲溶液的pH随缓冲比改变而改变。当缓冲比等于1时，pH=pKa。2.弱酸的解离常数Ka与温度有关，所以温度对缓冲溶液的pH有影响。但温度的影响比较复杂。3.在一定范围内加水稀释时，缓冲溶液的缓冲比不变，由公式计算的pH也不变，即缓冲溶液有一定的缓冲能力。但稀释会引起离子强度的变化，使HB和B-的活度因子受到不同程度的影响，因此缓冲溶液的pH也会随之有微小的改变。若过分稀释，不能维持缓冲系物质的足够浓度，缓冲溶液将丧失缓冲能力。（三）Henderson—Hasselbalch方程式的应用1.已知缓冲溶液中弱酸HB及其共轭碱B-的初始浓度时，用下式计算缓冲溶液的pH。此式适合计算混合后的缓冲溶液的pH。2.由于弱酸的物质的量n(HB)及其共轭碱的物质的量n(B-)在混合前后不变，所以可用下式计算将要混合或已混合的缓冲溶液的pH。

3.若配制缓冲溶液的储备液的浓度c(B-)=c(HB),可用下式计算缓冲溶液pH：这里V(HB)、V(B-)是储备液的体积。此式适合在混合前计算缓冲溶液的pH。

【例】将20mL0.10mol·L-1

的H3PO4溶液与30mL0.10mol·L-1

的NaOH溶液混合，求所得缓冲溶液的pH。已知：pKa1=2.16,pKa2=7.21,pKa3=12.32。【解】混合前有关物质的量：n(NaOH)=

0.10mol·L-1×30mL=3mmoln(H3PO4)=

0.10mol·L-1×20mL=2mmol用c1、V1的H3PO4和c、V的一元强碱NaOH配制缓冲溶液时：NaOH的物质的量：n(NaOH)=c∙VH3PO4的物质的量：n1(H3PO4)=c1∙V1可以得到下述三种缓冲系:H3PO4

和H2PO4-H2PO4-

和HPO42-HPO42-

和PO43-关于用H3PO4配制缓冲溶液的问题缓冲系为H3PO4

和H2PO4-时pH的计算：

缓冲系为H2PO4-和HPO42-时pH的计算：

缓冲系为HPO42-和PO43-时pH的计算：

【例4-1】在500mL0.200mol·L-1NH3溶液中，加入4.78gNH4Cl固体，配制1L缓冲溶液，求此缓冲溶液的pH。【解】NH3的pKb=4.75，则NH4+的pKa=14－4.75=9.25所以，【例4-2】柠檬酸（缩写H3Cit）及其盐是一种细菌培养的常用缓冲体系。用0.100mol·L-1NaH2Cit溶液与0.050mol·L-1NaOH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，生成HCit2-，剩余的H2Cit-与HCit2-组成缓冲系。

缓冲溶液pH随溶液稀释的改变，一般用稀释值表示。设缓冲溶液的浓度为c，加入等体积水稀释，稀释后与稀释前的pH之差定义为稀释值，符号为：缓冲溶液的稀释值对HA－A-型（如HAc－Ac-）、HA-－A2-型（如H2PO4-－HPO42-）缓冲系，。对HB+－B型（如NH4+－NH3）缓系，。缓冲溶液稀释时pH变化规律

缓冲溶液pH的较为精确的计算要考虑离子活度，即以活度代替浓度。二、缓冲溶液pH计算公式的校正式中称为校正因数。其值与弱酸的电荷数和溶液的离子强度有关不同I和z时缓冲溶液的校正因数Iz=+1z=0z=-1z=-20.01+0.04-0.04-0.13-0.220.05+0.08-0.08-0.25-0.420.10+0.11-0.11-0.32-0.53【例4-3】pH接近于7.0的磷酸盐缓冲溶液常用来培养酶，某种酶仅能存在于pH为6.90～7.15的培养液中。（1）求含有0.028mol·L-1Na2HPO4和0.020mol·L-1KH2PO4的缓冲溶液的精确pH。（2）若在1.0L该溶液中分别加入0.20mol·L-1NaOH溶液10mL或20mL，酶会分解吗？（设加入NaOH后离子强度不变化，忽略加入NaOH溶液引起的体积变化）。【解】（1）此缓冲溶液含有H2PO4-－HPO42-缓冲对，其共轭酸为H2PO4-，查表可知H2PO4-的pKa2=7.21，缓冲溶液中存在着Na+、H2PO4-、HPO42-，离子强度为：弱酸H2PO4-的z为-1，查表，校正因子为-0.32，精确计算其pH为：计算结果表明，这是一个适合于酶存在的缓冲溶液。（2）加入10mLNaOH溶液，则：由于OH-的加入，引起缓冲成分浓度的改变。

加入20mLNaOH溶液，则:由于OH-的加入，引起缓冲成分浓度的改变。结果表明，将10mL2.0mol·L-1的NaOH溶液加到缓冲溶液中，该酶能稳定存在；而将20mL2.0mol·L-1的NaOH溶液加到缓冲溶液中，溶液pH变化超过了酶能稳定存在的范围，酶会分解。第三节

缓冲容量和缓冲范围

2023/10/2956第四章缓冲溶液一、缓冲容量为使单位体积的缓冲溶液的pH改变1，所需加入的一元强酸或一元强碱的物质的量，称为缓冲容量。缓冲容量用β表示。β越大，说明缓冲溶液的缓冲能力越强。β的单位为mol·L-1或mol·L-1·pH-1。实际工作中，缓冲容量可用试验方法求出。

：加入的一元强酸或一元强碱的物质的量；：加入一元强酸或一元强碱前后溶液pH的改变值；：缓冲溶液的体积。

理论上可推导出：即与的比较：1.，不必知道具体缓冲对的具体含量等，根据加入酸或碱的量及相应的pH的变化即可求出；2.，不必使用一元强酸或碱，即可计算出缓冲溶液的缓冲容量。

3.，的值与加入酸或碱的量有关；4.，的值与加入酸或碱的量无关；5.的值相当于

的值。

6.加入mol∙L-1强酸或强碱，溶液的pH并不改变1；

7.加入同样量的酸或碱改变的pH一般并不相同，所以,由式求得的也不相同；

设总浓度：

，缓冲比：,则有：影响缓冲容量的因素有：（1）

缓冲比；（2）总浓度。二、影响缓冲容量的因素缓冲比对缓冲容量的影响：当总浓度不变时，当时，缓冲容量有极大值。总浓度对缓冲容量的影响：当缓冲比

一定时，可见，总浓度越大，缓冲容量越大。（1）HCl（2）0.1mol·L-1HAc+NaOH（3）0.2mol·L-1HAc+NaOH（4）0.05mol·L-1

KH2PO4+NaOH（5）0.05mol·L-1

H2BO3+NaOH（6）NaOH缓冲容量与pH的关系

（3）0.2mol·L-1

HAc+NaOH强酸（如HCl）或强碱（如NaOH）溶液虽然不属于的由共轭酸碱对组成的缓冲溶液，但它们的缓冲能力很强，甚至比普通缓冲溶液的缓冲能力还要强。这是由于在其溶液中，[H3O+]或[OH-]本来就很高，外加的少量强酸或强碱，不会使溶液中H3O+或OH-的浓度有明显的变化，故溶液的pH不会发生明显的改变。【例4-4】计算总浓度分别为0.20mol·L-1和0.050mol·L-1，缓冲比均为1:1的某缓冲系的缓冲容量。【解】缓冲比等于1:1时，0.20mol·L-1缓冲系的缓冲容量：缓冲比等于1:1时，0.05mol·L-1缓冲系的缓冲容量：计算结果说明，总浓度越大，缓冲容量越大。【例4-5】将0.20mol·L-1HB溶液和0.20mol·L-1B-溶液以9:1、3:1及1:1的体积比混合，分别计算不同体积比时缓冲系的缓冲容量。【解】用相同浓度的弱酸及其共轭碱配制缓冲溶液时，其体积比等于缓冲比，取aV体积HB溶液与bV体积B-溶液混合，则：

当时，当时：当时，计算结果说明，在总浓度一定时，缓冲比越接近1，缓冲容量越大。

缓冲范围（bufferrange）：pKa－1≤pH≤pKa+1此pH变化范围称为缓冲范围。即：pH=pKa±1三、缓冲范围总浓度一定的情况下，pH=pKa时，缓冲溶液的缓冲能力最强。超过缓冲范围时，可认为缓冲溶液丧失了缓冲能力。

【例】将0.20mol·L-1HB溶液和0.20mol·L-1B-溶液

以9:1的体积比混合，计算缓冲系的缓冲容量。

【解】当V(HB):V(B-)=9:1时第四节

缓冲溶液的配制

2023/10/2980第四章缓冲溶液—、缓冲溶液的配制方法

（一）选择合适的缓冲系：使所需配制的缓冲溶液的pH值在所选缓冲系的缓冲范围(pKa±1)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。

（二）选择合适的总浓度，一般选用总浓度在0.05～0.2mol·L-1范围内。

（三）计算所需缓冲系的量。

（四）校正。【例4-6】如何配制1000mLpH=4.50的缓冲溶液？【解】（1）选择缓冲系。因HAc的pKa=4.756，接近要求的pH=4.50，所以选用HAc－Ac-缓冲系。（2）确定总浓度。一般要求具备中等缓冲能力，选用0.10mol·L-1HAc－0.10mol·L-1NaAc缓冲系。设需HAc和NaAc溶液的体积分别为V(HAc)和)V(Ac-)。解得：所需HAc的体积为:

将355mL0.10mol·L-1NaAc溶液与645mL0.10mol·L-1HAc溶液混合，就可配制1000mLpH为4.50的缓冲溶液，必要时用pH计校准。【例4-7】在研究酸雨造成某地土壤的酸化问题时，需用pH=10.00的碳酸盐缓冲溶液。在500mL0.20mol·L-1的NaHCO3溶液中，需加入多少克Na2CO3来配制1L该缓冲溶液？【解】查表得:H2CO3的pKa2=10.33。0.5L缓冲溶液中：n(HCO3-)=0.20mol·L-1×0.50L=0.10mol所需Na2CO3的质量为：取5.0gNa2CO3溶于500mLNaHCO3溶液中，加水稀释至1L，即得所需缓冲溶液。必要时用pH计校正。【例4-8】用某二元弱酸H2B与NaOH配制pH=6.00的缓冲溶液。求在450mL、c(H2B)=0.10mol·L-1的该H2B溶液中，需加入0.10mol·L-1NaOH溶液的体积(mL)。已知H2B的pKa1=1.52、pKa2=6.30（忽略溶液体积加合引起的体积变化）。【解】根据配制原则，应选择HB-—B2-缓冲系，质子转移分两步进行：（1）H2B(aq)+NaOH(aq)=NaHB(aq)+H2O(l)，将H2B完全中和生成NaHB，需0.10mol·L-1NaOH450mL，并生成NaHB的物质的量为：450mL×0.10mol·L-1=45mmol

（2）NaHB(aq)+NaOH(aq)=Na2B(aq)+H2O(l)设中和部分NaHB需要NaOH的体积V(NaOH)=xmL，则生成Na2B0.10xmmol，剩余NaHB的物质的量为：(45－0.10x)mmol解得:。共需NaOH溶液的体积为:450mL+150mL=600mL由二元弱酸H2B和强碱NaOH配制缓冲对为H2B、HB-的缓冲溶液时：由二元弱酸H2B和强碱NaOH配制缓冲对为HB-、B2-的缓冲溶液时：

【例1】如何配制500mLpH值为5.00的缓冲溶液?

若要求溶液中HAc浓度为0

050mol

L-1，需要加入NaAc3H2O多少质量？现有60mol

L-1HAc，计算需要多少体积？请写出你设计配制此缓冲溶液的操作步骤，并计算此缓冲溶液的渗透浓度。若需300mmolL-1的等渗溶液需要加入多少质量的NaCl(s)?

已知25℃时pKa(HAc)=4.75。

【解】将数据代入Henderson—Hasselbalch方程式c(NaAc)=0.089mol

L-1n(NaAc)=0.089molL-1×0.5L=0.044mol

n(NaAc

3H2O)=n(NaAc)m(NaAc

3H2O)=n(NaAc)M(NaAc3H2O)=0.044mol×136.1gmol-1

=6.1g

需要60mol

L-1HAc的体积:

V(HAc)=0.050molL-1×0.5L÷6.0molL-1

=4.1mL

缓冲溶液的渗透浓度:cos=(0.089molL-1×2+0.050molL-1)×1000mmol∙mol-1

=228mmolL-1

若需要渗透浓度为300mmolL

-1的缓冲溶液则需要加NaCl:

【例2】

用2.00mol·L-1NaOH中和2.00mol·L-1丙酸(C2H5COOH)的方法，如何配制1000mL总浓度为0.100mol·L-1pH5.00的缓冲溶液。已知25℃时pKa(C2H5COOH)=4.86。

【解】C2H5COOH+NaOH＝C2H5COONa+H2O设需2.00mol·L-1C2H5COOH溶液为xmL，则有：

0.100mol·L-1×1000ml＝2.00mol·L-1×xmLx＝50mLc(C2H5COOH)+c(C2H5COONa)＝0.100mol·L-1c(C2H5COOH)＝0.100mol·L-1–c(C2H5COONa)巳知C2H5COOH的pKa＝4.86，所以：

c(C2H5COONa)＝0.0580mol·L-1由此可得丙酸钠在缓冲溶液中的物质的量为n(C2H5COONa)＝0.0580mol·L-1×1000mL

由上述中和反应知，生成1mol的C2H5COONa需要1mol的NaOH。即

n(C2H5COONa)=n(NaOH)

设需2.00mol·L-1NaOH的体积为ymL，则有0.0580mol·L-1×1000mL＝2.00mol·L-1×ymL

y＝29.0mL

按计算结果，量取2.00mol·L-1丙酸溶液50mL和2.00mol·L-1NaOH溶液29.0mL相混合，并用水稀释至l000mL，即得总浓度为0.100mol·L-1pH为5.00的丙酸缓冲溶液。

【例3】如何配制1LpH=7.40的缓冲溶液？

【解】（1）为使缓冲容量尽可能大，应该选择弱酸的pKa接近7.40的缓冲系，查附录中表（25℃），pKa(H2PO4-)=7.21，pKa(Tris

HCl)=8.08等等，所以可以选择NaH2PO4-Na2HPO4或Tris-TrisHCl缓冲对。本题选择Tris-TrisHCl缓冲对。（2）确定总浓度，根据要求具备中等缓冲能力，并考虑计算方便，可以选用的Tris和TrisHCl的浓度相同，均为0.10mol·L-1。则V(Tris)＝172mL，

V(Tris·HCl)=1000mL－172mL＝828mL

将

172mL0.10mol·L-1Tris溶液

828

mL0.10mol·L-1Tris

HCl溶液混合就可配制1LpH为7.40的缓冲溶液。如有必要，最后可用pH计正。1.H2PO4-和HPO42-组成的缓冲溶液（25℃）50mL0.1mol·L-1KH2PO4+xmL0.1mol·L-1NaOH被稀释至100mLpHxβ6.8022.40.0337.0029.10.0317.1032.10.0287.4039.10.020医学上常用的缓冲溶液2.Tris和Tris·HCl组成的缓冲溶液缓冲溶液组成/(mol·kg-1)pHTrisTris·HClNaCl25℃37℃0.020.020.148.2207.9040.050.050.118.2257.9080.0066670.020.147.7457.4280.016670.050.117.7457.4270.050.05——8.1737.8510.016670.05——7.6997.382Tris的组成式为(HOCH2)3CNH2，化学名称是三羟甲基甲胺。结构式如下：在缓冲溶液中Tris作为碱，Tris·HCl作为酸。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。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。

形成两个缓冲系

H2C4H4O6—HC4H4O6-pKa1=2.98HC4H4O6-—C4H4O62-pKa2=4.34pKa1+1=3.98>pKa2－1=3.34它们缓冲范围重叠（重叠了0.68），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

2023/10/29115第四章缓冲溶液体液中存在多种生理缓冲系，使体液的pH保持基本稳定。例如：血液的pH保持在7.35~7.45之间。

血浆中的主要缓冲系:H2CO3-HCO3-

H2PO4--HPO42-

HnP-Hn-1P-其中最主要的是H2CO3-HCO3-缓冲系。红细胞中主要的缓冲系：H2b-Hb-(血红蛋白)H2bO2-HbO2-(氧合血红蛋白)H2CO3-HCO3-H2PO4--HPO42-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：抗酸成分抗碱成分CO2+H2OB-共轭酸共轭碱H2CO3H+

+

HCO3-H+1.当体内酸性物质增加,