基础化学缓冲溶液讲.ppt

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1、第四章第四章 缓冲溶液缓冲溶液BufferSolution内容提要内容提要1.1.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 缓冲范围内容提要内容提要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.血液中的缓冲系教学基本要求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。熟悉配制缓冲溶液的原则、方法和

2、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。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制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的变化第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制0.10molL-1NaCl溶液NaCl溶液中加入HCl到0.010molL-1，溶液的pH由7变为2，改变了5个pH单位。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制0.10molL-1HAc

3、 0.10 molL-1 NaAc溶液0.10molL-1HAc0.10molL-1NaAc溶液溶液中加入HCl到0.010molL-1，溶液的pH由变为，改变仅单位。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制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。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制一、缓冲溶液及其作用机制1.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。2.缓冲作用（buffer action）缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲

4、机制缓冲溶液及缓冲机制3缓冲作用机制：以HAcAc-体系为例n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。n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。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制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抗碱成分抗碱成分抗酸成分抗酸成分HAc Ac-H3O+OH-HAcAc-示意图：第一节第一节 缓冲溶液及缓

5、冲机制缓冲溶液及缓冲机制 Ac-HAc第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制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。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制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(buffer pair)。共轭酸共轭酸共轭碱共轭碱HAcNH4ClH2PO

6、4-NaAcNH3H2OHPO42-2-抗抗酸酸成成分分缓缓冲冲系系抗抗碱碱成成分分组成示意图组成示意图第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制常见的缓冲系常见的缓冲系第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算一、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第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算2.HendersonHasselbalch方程式的应用由于缓冲溶液中存在同离子效应，B-

7、c(B-)，HBc(HB)所以第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算由于c=n/V，所以第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算根据n=cV，若取储备液c(B-)=c(HB)第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算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。第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算例 在500 mL 0.200 molL-1 NH3溶液中，

8、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，则 的pKa=14.00-4.75=9.25 c(NH3)=0.200 molL-1/2=0.100 molL-1pH=pKa第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算例 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H3Cit的pKa1、pKa2、pKa3。过量H2Cit-与OH-反应：H2Cit-(aq)+OH-(aq)HCit2-(aq)+H2

9、O(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第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围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。愈大，说明缓冲溶液的缓冲能力愈强。第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围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(

10、c总=HB+B-)及B-、HB的关系第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围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0.2 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 第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围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。第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围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

11、 molL-1 KH2PO4+NaOH（5）0.05 molL-1 H2BO3+NaOH（6）NaOH+KCl第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围例例 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：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+B-=0.20 molL-1，当a:b=9:1时，第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制一、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

12、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。第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制（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

13、冲溶液的pH需要在pH计监控下调整，滴加强碱/酸易于操作。第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制例 如何配制的缓冲溶液1000mL?解(1)选择缓冲系 由于HAc的pKa，接近所配缓冲溶液 ，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0.10molL-1的HAc和0.10molL-1 NaAc溶液。应用式(4.5)可得第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制设V(NaAc)=x mL则：V(Ac-)=x mL=355mLV(HAc)=1000mL-355mL=645mL第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配

14、制 例 pH接近于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、pKa2、pKa3=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)第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制(1)H3PO4(aq)+NaOH(aq)

15、=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 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 x)mmol，解得 x=148 共需NaOH溶液的体积为：450 mL+148 mL=598 mL第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制二、标准缓冲溶液标准缓冲溶液性质稳定，有

16、一定的缓冲容量和抗稀释能力，用来校准pH计。第五节第五节 血液中的血液中的缓冲系缓冲系一、血液中存在的缓冲系 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保持在之间。第五节第五节 血液中的缓冲系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

17、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H2CO3 H+HCO3-H+第五节第五节 血液中的缓冲系血液中的缓冲系第五节第五节 血液中的缓冲系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，则会发生酸中毒(acidosis)；若pH大于，则发生碱中毒(alkalosis)。若血液的pH小于或大于，就会导致死亡。第五节第五节 血液中的缓冲系血液中的缓冲系正常情况下，HCO3-与CO2(aq)的分别为24mmolL-1 及1.2mmolL-1。37时，若血浆中离子强度为，经校正后，pKa=pKa1 ，pH二、下列情况均需pH一定的缓冲溶液大多数为酶所控制的生化反应微生物的培养组织切片细胞染色药物调剂、研制等第五节第五节 血液中的缓冲系血液中的缓冲系