第7章 缓冲溶液.ppt

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1、 第7章 缓冲溶液buffer solution1学习要求掌握缓冲溶液的概念、组成和缓冲机理。掌握缓冲溶液的概念、组成和缓冲机理。掌握影响缓冲溶液掌握影响缓冲溶液pH的因素、应用的因素、应用Henderson-Hasselbalch方程式计算缓冲溶液方程式计算缓冲溶液pH值。值。掌握缓冲容量的概念、影响因素及有关计算。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和方法。了解医学上常用熟悉配制缓冲溶液的原则和方法。了解医学上常用缓冲溶液配方和标准缓冲溶液。缓冲溶液配方和标准缓冲溶液。熟悉血液中的主要缓冲系及在稳定血液熟悉血液中的主要缓冲系及在稳定血液pH过程中的过程中的作用。作

2、用。2缓冲溶液的作用人体内生物化学反应与人体内生物化学反应与酶有关酶有关酶的活性与酶的活性与pH有关有关如胃蛋白酶具有活性的如胃蛋白酶具有活性的pH范围：范围：1.52.0当胃液当胃液pH4.0，胃蛋白酶失活胃蛋白酶失活血液的血液的pH值在值在7.357.45酸中毒酸中毒(糖尿病酮症酸中毒糖尿病酮症酸中毒)与碱中毒与碱中毒维持体液的维持体液的pH值值恒定非常重要恒定非常重要3纯水（纯水（1L）加加1 molL-1 NaOH 10ml加加1 molL-1 HCl 10mlpH=7pH=12pH=20.1molL-1 HAc 和和0.1 molL-1 NaAc混合液混合液（1L）加加1 molL-

3、1 HCl 10ml加加1 molL-1 NaOH 10mlpH=4.65CpH=4.74CpH=4.79C?4第一节第一节缓冲溶液及其缓冲作用缓冲溶液及其缓冲作用一、缓冲溶液的缓冲作用一、缓冲溶液的缓冲作用1.缓冲溶液缓冲溶液把当加入少量的强酸、强碱或稍加稀释，而能保把当加入少量的强酸、强碱或稍加稀释，而能保持其持其pH值基本不变的溶液，称为缓冲溶液。值基本不变的溶液，称为缓冲溶液。2.缓冲作用缓冲作用 缓冲溶液对少量的强酸、强碱或稍加稀释的抵抗作缓冲溶液对少量的强酸、强碱或稍加稀释的抵抗作用用,称为缓冲作用。称为缓冲作用。53.缓冲溶液的组成缓冲溶液的组成 缓冲溶液缓冲溶液:由由共轭酸碱对

4、共轭酸碱对构成的溶液。构成的溶液。(1)弱酸及其盐型弱酸及其盐型:HAc-NaAc (2)弱碱及其盐型弱碱及其盐型:NH3-NH4Cl (3)酸酸 式式 盐盐 与与 其其 次次 级级 盐盐 型型:NaH2PO4-Na2HPO4缓冲系缓冲系(缓冲对缓冲对)弱酸弱酸(抗碱成分抗碱成分)弱碱弱碱(抗酸成分抗酸成分)缓冲溶液缓冲溶液6表表1常见的缓冲系常见的缓冲系缓冲系缓冲系弱酸弱酸共轭碱共轭碱pKa（2525）HAc-NaAcHAcAc-4.75H2CO3-NaHCO3H2CO3HCO3-6.37H3PO4-NaH2PO4H3PO4H2PO42.12NaH2PO4-Na2HPO4H2PO4HPO42

5、-7.21H3BO3-NaH2BO3H3BO3H2BO39.14H2C8H4O4H2C8H4O4HC8H4O4-2.92-KHC8H4O4NH4Cl-NH3NH4+NH39.25Na2HPO4-Na3PO4HPO42-PO43-12.677二、缓冲溶液的缓冲作用机制二、缓冲溶液的缓冲作用机制强酸和强碱溶液的缓冲作用机制强酸和强碱溶液的缓冲作用机制:含有高含有高浓度的浓度的H+或或OH-;弱弱酸与其酸与其共轭共轭碱溶液的缓冲作用机制碱溶液的缓冲作用机制:转转化与补偿机制化与补偿机制。以以HAcNaAc为例为例:NaAc Na+Ac-HAc H+Ac-8Ac-抗酸成分抗酸成分 外加酸外加酸 ，H+

6、增大增大 HAc H3O+Ac 平衡移动方向平衡移动方向 NaAc Na+Ac-HAc抗碱成分抗碱成分 +OH-外加碱外加碱 ，OH-增大增大 HAc H3O+Ac 平衡移动方向平衡移动方向 NaAc Ac-+Na+H2OH+基本不增大，基本不增大，pH值基本保持不变；值基本保持不变；H+基本不减小，基本不减小，pH值基本保持不变。值基本保持不变。9在缓冲体系中：在缓冲体系中：加水稀释：加水稀释：比值基本不变，比值基本不变，pH值基本保持不变。值基本保持不变。H+基本不增大，基本不增大，pH值基本保持不变；值基本保持不变；H+基本不减小，基本不减小，pH值基本保持不变。值基本保持不变。外加少量

7、强酸：外加少量强酸：外加少量强碱外加少量强碱：实质：是实质：是共轭酸碱对之间质子转移平衡发生移动共轭酸碱对之间质子转移平衡发生移动 的过程。的过程。10练习，判断下列说法：练习，判断下列说法：20ml0.025molL-1HAc和和10ml0.025molL-1NaOH的混合液是否具有缓冲作用；的混合液是否具有缓冲作用；酸酸性性缓缓冲冲溶溶液液（H3PO4NaH2PO4）（pH=2.12）对外来酸有抵抗作用，对外来碱是否具有抵抗作用。对外来酸有抵抗作用，对外来碱是否具有抵抗作用。下列溶液是具有缓冲作用下列溶液是具有缓冲作用(1)1L水水中中加加入入0.01molL-1HAc和和0.01molL

8、-1 NaAc各一滴。各一滴。(2)含含0.1molL-1NaOH和和0.1molL-1NaCl溶液。溶液。(3)含含0.02molL-1HCl和和0.02molL-1NH3等体积混合。等体积混合。11第二节第二节 缓冲溶液pH值计算一、缓冲溶液一、缓冲溶液pH值的计算公式值的计算公式以以HB-B-为例：为例：HB +H2O H3O+BKa=H3O+B HBH3O+=Ka HB B pH=pKa+lg BHB Henderson-Hasselbalch方程式方程式12pH=pKa+lg BHB BHB式中式中 缓冲溶液的缓冲比缓冲溶液的缓冲比；B+HB 缓冲溶液的总浓度缓冲溶液的总浓度 由于由

9、于B的的同离子效应，同离子效应，HB的解离很少，故可用的解离很少，故可用浓度代替平衡浓度，即浓度代替平衡浓度，即pH=pKa+lg cBcHB =pKa+lg nB/VnHB/V13pH=pKa+lg nB/VnHB/V共轭酸碱共处于一个溶液中，体积相同，共轭酸碱共处于一个溶液中，体积相同，故浓度之比即为摩尔数之比故浓度之比即为摩尔数之比 pH=pKa+lg nBnHB由以上各式可知：由以上各式可知：（1）缓冲溶液的）缓冲溶液的pH值首先取决于弱酸的酸值首先取决于弱酸的酸常数常数Ka。(pH值与温度有关。值与温度有关。)（2）缓冲系一定时，）缓冲系一定时，Ka一定，则一定，则pH随缓冲随缓冲比

10、的变化而变化。比的变化而变化。（3）缓冲溶液加少量水稀释时，缓冲比不变，）缓冲溶液加少量水稀释时，缓冲比不变，故故pH不变。不变。14例例10.080molL-1HAc和和0.20molL-1NaAc等等体体积积混混合成合成1L缓冲溶液缓冲溶液求此溶液的求此溶液的pH值？值？分别计算加分别计算加入入0.010molHCl、0.010molNaOH后，缓冲溶液后，缓冲溶液pH值的改变值值的改变值(体积视为不变体积视为不变)。解：加入加入HCl，缓冲溶液缓冲溶液pH值的改变值值的改变值15加入加入NaOH，1L溶液中其浓度为溶液中其浓度为0.010molL-1问题问题:如果把同样多的如果把同样多的

11、HCl或或NaOH加入同样量纯水加入同样量纯水 中，中，pH会改变多少？会改变多少？16第三节第三节 缓冲容量（缓冲容量（buffer capacity）一、缓冲容量一、缓冲容量 1.缓冲容量的概念缓冲容量的概念 缓冲溶液的缓冲容量是有限的缓冲溶液的缓冲容量是有限的:当其抗酸成分或抗碱成分被消耗到一定程度时，当其抗酸成分或抗碱成分被消耗到一定程度时，便失去缓冲功效。便失去缓冲功效。van Slyke提出提出 2.定义定义 使单位体积的缓冲溶液的使单位体积的缓冲溶液的pH值改变值改变1个单位时，个单位时，所需外加一元强酸或一元强碱的物质的量。所需外加一元强酸或一元强碱的物质的量。加加碱碱 =n

12、nB BV V pH pH加加酸酸 =-n nA AV V pH pH21例例3 0.080 molL-1HAc和和0.20 molL-1NaAc等等体体积积混混合合成成1L缓缓冲冲溶溶液液(1)求求此此溶溶液液的的pH值值。(2)分分别别计计算算加加入入0.010 mol HCl、0.010 mol NaOH后后，该该缓缓冲冲溶溶液液的缓冲容量。的缓冲容量。(2)在在1L溶液中加入溶液中加入0.010mol HCl，则：则：nA=0.010（mol）pH=5.00 5.14=-0.14 在在1L缓冲溶液加缓冲溶液加0.010mol NaOH，则则 nB=0.010（mol）pH=5.305.

13、14=0.1622二、二、影响缓冲容量的因素影响缓冲容量的因素由由 =n nV V pH pH 计算得出的计算得出的为某为某pH变化范围内的平均值变化范围内的平均值,而某一而某一pH时时的瞬时值为的瞬时值为 =d dn nV V d pHd pH 由此可见，由此可见，是随是随pHpH的变化而变化的的变化而变化的.23（1）缓冲溶液总浓度的影响）缓冲溶液总浓度的影响溶液溶液HB/B-c总总bpH1230.25/0.250.10/0.100.025/0.0250.500.200.0500.010.010.010.0340.0860.340.290.120.029缓冲比一定缓冲比一定 ，总浓度对缓冲

14、容量的影响，总浓度对缓冲容量的影响结论：结论：当缓冲比一定时，当缓冲比一定时，c缓总缓总越大，越大，越大，缓越大，缓 冲能力越大。冲能力越大。一般一般c总总在在0.050.2 molL-1范围内最好。范围内最好。c缓总缓总太小，太小，太小；太小；c缓总缓总过大，离子强度大；过大，离子强度大；24溶液溶液12345ACmolL-1HAcmolL-1Ac/HAc总浓度总浓度未加碱前未加碱前pH加碱后加碱后pHpH0.020.181/90.203.803.870.070.0420.050.151/40.204.154.190.040.080.100.101/10.204.744.780.03（最小）

15、（最小）0.10（最大）（最大）0.150.054/10.205.355.890.040.080.180.029/10.205.705.770.070.042缓冲容量与缓冲比的关系缓冲容量与缓冲比的关系缓冲溶液总浓度一定，缓冲比等于缓冲溶液总浓度一定，缓冲比等于1时时 缓冲比等于缓冲比等于1时，缓冲容量最大时，缓冲容量最大2.缓冲比对缓冲容量的影响缓冲比对缓冲容量的影响25结论结论1.强酸、强碱缓冲能力强，单向变化。强酸、强碱缓冲能力强，单向变化。2.2.缓冲系不同，缓冲系不同，pKa不同，缓冲范围不同。不同，缓冲范围不同。3.3.缓冲比一定时，缓冲比一定时，总浓度越大，其总浓度越大，其max

16、越大越大；缓冲比一定时，缓冲比一定时，总浓度相同，总浓度相同，max相同。相同。HCl NaOH 0.1molL-1HAc+NaOH 0.2molL-1HAc+NaOH 0.05molL-1KH2PO4+NaOH 0.05molL-1H3BO3+NaOH264.4.总浓度一定时，当总浓度一定时，当B/HB=1时，时，缓冲容量缓冲容量值最大值最大：max=0.5760.576c c总总5.5.缓冲比越偏离缓冲比越偏离1时，缓冲容量越小。时，缓冲容量越小。当当B/HB 10，或，或1/10，失去缓冲作用；失去缓冲作用；当当1/10 B/HB 10，具有缓冲作用。具有缓冲作用。缓冲范围：缓冲范围：p

17、H=pKa 12728一、缓冲溶液的粗略配制方法一、缓冲溶液的粗略配制方法 1.选择适当的缓冲系：选择适当的缓冲系：（1）使使所所选选缓缓冲冲系系的的缓缓冲冲范范围围包包括括所所配配缓缓冲冲溶液的溶液的pH值；值；（2）弱弱酸酸的的pKa值值尽尽量量接接近近pH值值，以以使使缓缓冲容量冲容量接近极大值。接近极大值。2.配配制制的的缓缓冲冲溶溶液液要要有有适适当当的的总总浓浓度度。一一般般以以0.050.20 mol L-1为宜。为宜。第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制29 3.选选定定缓缓冲冲系系及及总总浓浓度度后后，根根据据Henderson公公式计算所需弱酸及其共轭碱的量。式计算所

18、需弱酸及其共轭碱的量。pH=pKa+lg nBnHB=pKa+lg cBVB cHBVHB30一般一般配配c c（B B-）=c c（HBHB），则），则而而V V总总 =VB+VHB ，pH=pKa+lg VBVHB pH=pKa+lg VBV-VB-4.将求得的将求得的VB和和VHB相混合。相混合。31例例4如何配制如何配制100mLpH约为约为5.00的缓冲溶液？的缓冲溶液？解解HAc的的pKa=4.75,与与5.00最为接近，故选最为接近，故选HAc-NaAc缓冲系缓冲系.然后配制浓度在然后配制浓度在0.050.20molL-1范围内范围内(如如0.10molL-1)相同浓度的相同浓度

19、的HAc和和NaAc溶液。溶液。pH=pKa+lg VBV-VB-5.00=4.75+lg VAc100-VAc-VNaAc=64mL,VHAc=36mL.故将故将64mL浓度在浓度在0.050.20 mol L-1的的NaAc溶液和溶液和36mL相同浓度的相同浓度的HAc溶液混合均匀，即得所需缓冲溶液溶液混合均匀，即得所需缓冲溶液.32二、二、缓冲溶液的准确配制方法缓冲溶液的准确配制方法 1.1.应用配方进行配制应用配方进行配制 文献资料，准确方便文献资料，准确方便 表表4 4 H2PO4和和HPO42-组成的组成的缓冲溶液缓冲溶液（2525）50mL0.1 mol L-1 KH2PO4+x

20、 mL0.1 mol L-1 NaOH稀释至稀释至100mL pH x 6.70 19.3 0.030 6.80 22.4 0.033 6.90 25.9 0.033 7.00 29.1 0.031 7.10 32.1 0.028 7.20 34.7 0.025 332.用用pH计计校准校准将所配的将所配的粗略粗略pH值缓冲溶液在值缓冲溶液在pH计监控下用稀的计监控下用稀的强酸或强碱调至准确的强酸或强碱调至准确的pH值。值。应用应用pH计时，必须用标准缓冲溶液校准。计时，必须用标准缓冲溶液校准。表表5 标准缓冲溶液标准缓冲溶液 溶液溶液 浓度浓度/mol L-1 pH（2525）温度系数温度系

21、数 酒石酸氢钾酒石酸氢钾 饱和饱和,2525 3.557 -0.001 邻苯二甲酸氢钾邻苯二甲酸氢钾 0.05 4.008 +0.001 KH2PO4-Na2HPO4 0.025,0.025 6.865 -0.003 Na2B4O710H2O 0.01 9.180 -0.008 34练习练习1.下列各溶液有无缓冲性下列各溶液有无缓冲性?(1)20mL0.1molL-1HAc+20mL0.1molL-1NaOH;(2)20mL0.1molL-1HAc+1mL0.1molL-1NaOH;(3)20mL0.1molL-1HAc+10mL0.1molL-1NaOH.2.用用0.025molL-1H3P

22、O4溶液和溶液和0.025molL-1NaOH溶液配溶液配制制pH值为值为7.40的缓冲溶液的缓冲溶液100mL,计算所需计算所需H3PO4和和NaOH溶液各为多少溶液各为多少mL?解解首先应选择合适的缓冲系。首先应选择合适的缓冲系。H3PO4的的pKa1=2.12,pKa2=7.21,pKa3=12.36,其其pKa2与所配与所配缓冲溶液的缓冲溶液的pH值值最为接近，最为接近，故缓冲系应为故缓冲系应为H2PO4-HPO42-,35缓冲系为缓冲系为H2PO4-HPO42-,需加需加NaOH包括两部分包括两部分:一部分一部分NaOH将将H3PO4全部转化成了全部转化成了H2PO4-;另一部分另一

23、部分NaOH将将一部分一部分H2PO4-再转化成了再转化成了HPO42-。设需加设需加H3PO4x mL,NaOHy mL,则则n(HPO42-)=0.025(y-x)mmoln(H2PO4-)=0.025x-0.025(y-x)=0.050 x-0.025ymmol pH=pKa2+lg n(HPO42-)n(H2PO4-)7.40=7.21+lg 0.025(y-x)0.050 x-0.025 y36 =1.55 y=1.61 x y-x 2 x-y 需配需配100mL缓冲溶液缓冲溶液,故故 y+x=100 x=38 mLy=62 mL 故需故需H3PO4 和和 NaOH溶液分别为溶液分别

24、为38 mL 和和62mL.37一、缓冲溶液及其缓冲作用把当加入少量的强酸、强碱或稍加稀释，而能保持其pH值基本不变的溶液，称为缓冲溶液。对少量的强酸、强碱或稍加稀释的抵抗作用,称为缓冲作用。缓冲溶液组成:由共轭酸碱对构成 B-HB缓冲实质：是共轭酸碱对之间质子转移平衡发生移动的过程。二、缓冲溶液pH值的计算公式三、缓冲容量三、缓冲容量1.缓冲系不同，缓冲系不同，pKa不同，缓冲范围不同。不同，缓冲范围不同。缓冲范围：缓冲范围：pH=pKa 12.缓冲比一定时，缓冲比一定时，总浓度越大，其总浓度越大，其max越大越大；缓冲比一定时，缓冲比一定时，总浓度相同，总浓度相同，max相同。相同。3.总浓度一定时，当总浓度一定时，当B/HB=1时，时，max最大最大；38根据pH值计算公式,求出缓冲比及其共轭酸、碱的量;选用等浓度的共轭酸碱对配制缓冲溶液;选择适当的缓冲系.选择所配缓冲液的pH值尽量接近弱酸(弱碱)的pKa(pKb)，以使接近极大值四、缓冲溶液的配制选择适当的总浓度0.050.2 mol L-1注意离子强度的影响,注意校正;39作业作业:5,6,1040