医学基础化学—缓冲溶液课件.ppt
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1、第三章 缓冲溶液 Chapter Three Buffer Solution2023/6/1主要内容u缓冲溶液的概念和缓冲作用原理第三章 缓冲溶液(Buffer Solution)u缓冲溶液的pH值u缓冲容量u缓冲溶液配制u缓冲溶液在医学上的应用2023/6/1【内容提要】一、缓冲溶液的缓冲作用和组成二、缓冲类型第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理2023/6/1实验1:25 oC 时,纯水的pH=7.00,在1L纯水溶液中加入0.01 mol的强酸(HCl)或0.01mol强碱(NaOH),溶液的pH发生了显著变化,改变了5个pH单位。结论:纯水易受外加少量强酸或强碱的影响,pH发生显著变化。*纯
2、水不具有抵抗外加少量强酸或强碱而使溶液的pH保持基本不变的能力。*第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理2023/6/1实验2:在1L含HAc和NaAc均为0.1molL-1溶液中加入0.01mol的强酸(HCl),溶液的pH由4.75下降到4.66,仅改变了0.09个pH单位;若改加入0.01mol强碱(NaOH),溶液的pH由4.75上升到4.84,也仅改变了0.09个pH单位;此混合溶液pH改变很小。如用水稍加稀释时,亦有类似现象,即HAc-NaAc溶液pH保持基本不变。结论:HAc-NaAc混合溶液具有抵抗外加少量强酸、强碱或稍加稀释而保持溶液的pH基本不变的能力。第一节 缓冲溶液及缓冲作用原
3、理2023/6/11、缓冲溶液的概念(Concept of Buffer Solution)能抵抗少量强酸、强碱和水的稀释而保持体系的PH值基本不变的溶液称缓冲溶液(Buffer Solution)。缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用叫做缓冲作用(Buffer action).第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理2023/6/1第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理 较浓的强酸、强碱也具有缓冲作用*,但实际上很少作为缓冲溶液使用。通常我们所说的缓冲溶液,一般是由足够浓度的共轭酸碱对的两种物质组成。2023/6/1第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理 2、缓冲作用原理 缓冲物质是由一种共轭酸(质子给予体)和相应的
4、共轭碱(质子接受体)组成的混合物,在溶液中存在着如下的质子转移平衡:A+H2O B+H+例:HAc H+Ac-NaAc=Na+Ac-largelittlelarge2023/6/1(1)加入少量强酸(Adding a small amount of acid)当向混合溶液中加入强酸时,溶液中的H3O+浓度增加,但Ac-能接受H3O+的质子,转变成HAc,使平衡向左移动。由于加入的强酸量比较少,大量的Ac-仅少部分与H3O+反应,达到新的平衡时,Ac-的离子略有降低,HAc 分子的浓度略有升高,而 H+浓度几乎没有升高,所以溶液的pH 值基本保持不变。Ac-叫做抗酸成分。第一节 缓冲溶液及缓冲作
5、用原理2023/6/1(2)加入少量强碱(Adding a small amount of base)当向混合溶液中加入强碱时,溶液中的OH-浓度增加,OH-与H3O+反应生成H2O,从而使H3O+减少,使平衡向右移动,促使HAc离解生成H3O+。与OH-反应所消耗的H3O+由 HAc离解生成H3O+来补充,达到新的平衡时,HAc 的浓度略有降低,Ac-离子的浓度略有升高,而 H3O+浓度几乎没有降低,所以溶液的pH 值基本保持不变。HAc 叫做抗碱成分。第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理2023/6/1(3)稀释(Dilution)当缓冲溶液稀释时,H3O+离子的浓度改变不大,其原因是稀释了共轭
6、酸和共轭碱相同的倍数。第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理3、缓冲系类型(Composition and Type of buffer solution)对于其它类型的缓冲溶液与HAc NaAc 所组成的缓冲溶液类似。由一种共轭酸和相应的共轭碱组成的缓冲溶液,在溶液中都存在着如下的质子转移平衡:A+H2O B+HO3+2023/6/1 抗酸时,消耗共轭碱,平衡向左移动,同时产生共轭酸;抗碱时,消耗共轭酸,平衡向右移动,同时产生共轭碱。因此,溶液的pH 值保持基本不变。像这种弱酸及其共轭碱组成的混合液,只要具有足够的浓度,就具有缓冲作用。A 称为抗碱成分,B 称为抗酸成分,这两种成分合称缓冲系(buf
7、fer system)或缓冲对(buffer pair)。第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理2023/6/13、缓冲系类型(Composition and Type of buffer solution)(1)弱酸及其它的共轭碱(盐)组成的缓冲系 Weak acid and its conjugate base(salt)HAc-NaAc,H2CO3-NaHCO3 Z=0,A0-B-(2)弱减及其它的共轭酸(盐)组成的缓冲系 Weak base and its conjugate base(salt)NH3H2O-NH4Cl,ph-+NH3-phNH2 Z=+1,A+-B0(3)多元酸的酸式盐及其
8、它的次级盐组成的缓冲系 Polyprotic acid salt and its conjugate NaHCO3-Na2CO3;NaH2PO4-Na2HPO4Z=-1,A-B2 第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理2023/6/1【内容提要】一、缓冲溶液pH的计算公式二、缓冲溶液pH的计算第二节 缓冲溶液的pH(The pH of Buffer Solution)The pH of Buffer Solution)2023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Solution1、缓冲溶液pH 值的计算公式(亨德森-哈塞
9、尔巴赫方程式)(Henderson Hasselbalch equation)HA(aq)H+(aq)+A-(aq)H+A-K a=-HA HA H+=Ka-A-HA-log H+=-log Ka-log-A-2023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Solution HA A-pH=p K a-log-=p K a+log-A-HA base pH=p K a+log-acid 这就是亨德森-哈塞尔巴赫方程式(Henderson-Hasselbalch equation)2023/6/1缓冲溶液的pH 值Th
10、e pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer SolutionHA的浓度为c(HA)(或称起始浓度,配制浓度),NaA的浓度为c(NaA);HA解离部分的浓度为c(HA)。则:HA平=c(HA)-c(HA)A-平=c(NaA)+c(HA)HA平c(HA),A-平c(NaA)c(A-)*又可表示为:A pH=p K a+log-HA c(A)pH p K a+log-c(HA)c(共轭碱)pH p K a+log-c(共轭酸)2023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Soluti
11、on 对于具体的缓冲系:(1)HAc NaAc缓冲系 HA 共轭酸 H+=Ka-=Ka-A-共轭碱(2)NH 4Cl NH 3缓冲系 NH 3 共轭碱 OH-=Kb-=Kb-NH 4+共轭酸 2023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Solution 由上面公式可知:(1)缓冲溶液的pH值取决于共轭酸的Ka 和缓冲溶液的缓冲比值(buffer ratio,r a)即共轭酸/共轭碱。(The pH of a buffer solution depends on the Ka of conjugate acid a
12、nd the ratio of conjugate acid and conjugate base.The ratio is called buffer ratio)(2)同一缓冲系,当温度和 Ka 一定时,其pH值取决于缓冲比。只要改变缓冲比,可在一定范围内配制不同pH值的缓冲溶液。(For certain buffer solution,at a given temperature,Ka is a constant.pH depends on the buffer ratio.We can design different buffer solutions by changing the
13、buffer ratio)(3)当缓冲比等于1,即共轭酸=共轭碱 时,缓冲溶液的pH值等于组成缓冲溶液的弱酸的pka。(When buffer ratio=1,A-=HA,pH=pKa)2023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Solution(4)加入少量水稀释,若只考虑体积变化,缓冲比不变。实际上溶液稀释时可改变溶液的离子强度和弱酸的电离度,缓冲比随之改变,必然引起pH值的改变。若稀释后的体积改变不大时,pH值的改变是很小的。(When buffer solution is diluted,the buff
14、er ratio is not changed,so pH of buffer solution is not changed)(5)p K a=-log K a H2PO4-HPO42-NH4+-NH3 2023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Solution若缓冲溶液中弱酸及其共轭碱的浓度相同,c(A)=c(B)时,可改写为:c(B)V(B)pH=p K a+log-c(A)V(A)V(B)pH=p K a+log-V(A)2023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer Sol
15、utionThe pH of Buffer Solution若缓冲溶液的体积以V 表示,若以n A、n B 分别表示的溶液中所含共轭酸和共轭碱的物质的量,则 n(B)n(B)c(A)=-c(HA)=-V V则:n(B)pH=p K a+log-n(A)n B pH=p K a+log-n A 亨德森-哈塞尔巴赫方程式(Henderson-Hasselbalch equation)2023/6/1 3.2 缓冲溶液的pH值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Solution2、缓冲溶液的pH值计算例4-1 计算1.0mol/L HAc和1.0mol
16、/LNaAc缓冲系的pH 值。pKa H Ac=4.75 A-1.0 pH=p K a+log-=4.75+log-HA 1.0=4.752023/6/13.2 缓冲溶液的pH值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Solution例4-2 计算0.10molL-1 NH3 20ml和0.20 molL-1 NH4Cl 15ml混合溶液的pH值。解:此混合溶液的缓冲系为NH4+-NH3,查表知:pKa(NH4+)=9.25,代入公 式得=9.25-0.17=9.082023/6/13.2 缓冲溶液的pH值The pH of Buffer Solut
17、ionThe pH of Buffer Solution 例4-3在100 ml的 0.1mol/LHCl 溶液中 加入 400 ml 0.1mol/LNH3 溶液,该溶液的 pH是多少?(pkb=4.75)解:acid=NH4+=(1000.1)/500=10/500(mol/L)base=NH3=(400 0.1-100 0.1)/500=30/500(mol/L)pK a(NH4+)=14-4.75=9.25 base 30/500 pH=p K a+log-=9.25+log-=9.73 acid 10/5002023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer
18、SolutionThe pH of Buffer Solution例4-4 取0.10molL-1KH2PO410ml与0.20 molL-1 Na2HPO41.0ml混合,求其混合溶液的pH值。解:此混合溶液的缓冲系为H2PO4-HPO42-,查表知 H2PO4-的pKa2=7.21,代入公式得=7.21-0.70=6.512023/6/13.2 缓冲溶液的pH 值The pH of Buffer SolutionThe pH of Buffer Solution补 1:在烧杯中盛放20.00 mL 0.10molL-1 NH3H2O 溶液,逐步滴入0.10 molL-1 HCl 溶10.0
19、0mL,求此混合溶液的pH值.(pKb=4.75).补 2:取50.00 mL 0.10molL-1某一元弱酸溶液与 20.00mL 0.10 molL-1 KOH 溶液混合,将此液 稀释至100mL测出此液的pH值为5.25,求此一 元弱酸的电离常数是多少?补 3:298K时,将150mL0.2 molL-1 NaAc溶液与50 mL 0.1 molL-1 H2S04混合,求混合溶液的pH值,若 混合溶液中含有10-5 molL-1 Fe3+杂质,判断有无 沉淀产生?(pKa=4.75,Ksp=1.110-36)2023/6/1解题思路:加入HCl后,进行如下反应:NH3 H2O+HCl=N
20、H4Cl+H2O 由此知,反应后:nNH3=20.000.100 10.000.100=1(mmol)nNH4+=nHCl=0.10010.00=1(mmol)由 得,所以,pH=14.0 4.75=9.25补 1:2023/6/1解题思路:反应:HA+KOH=KA+H2O 平衡后:HA=(500.10 200.10)/100=0.03(mol L-1)KA=(200.10)/100=0.02(mol L-1)由 得,所以,kHA=3.7510-6补 2:2023/6/1补 3:解题思路:混合溶液中的反应:2NaAc+H2SO4=Na2SO4+2HAc 由等物质的量规则知:NaAc=(1500
21、.20 500.10)/200=0.03(mol L-1)HAc=(2500.10)/200=0.05(mol L-1)由 得,所以,pH=5.15 pOH=8.85 OH=1.40 10-9 mol L-1 又 Fe3+3OH-=Fe(OH)3 Q i=Fe3+OH-3=2.74 10-32 1.1 10-36 故有Fe(OH)3沉淀产生.2023/6/1第三节 缓冲容量和缓冲范围【内容提要】一、缓冲容量二、影响缓冲容量的因素 三、缓冲容量与pH值的关系 2023/6/13.3 缓冲溶液的缓冲容量Capacity of Buffer Solution Capacity of Buffer S
22、olution(1)缓冲容量的概念(Concept of buffer capacity)缓冲容量()在数值上等于单位体积(1L或1ml)的缓冲溶液的pH值改变一个单位所需外加一元强酸或者一元强碱的物质的量(mol 或mmol)其数学表达式为:(The buffer capacity()is the amount-of-substance of strong acid or base per liter needed to produce a unitchange in pH.)2023/6/13.3 缓冲溶液的缓冲容量Capacity of Buffer Solution Capacity
23、of Buffer Solution b a=-=-|pH|pH|b、a分别为单位体积中加入一元强碱、一元强酸的微小量,pH值为加入强碱、强酸后溶液pH值的改变量。2023/6/13.3 缓冲溶液的缓冲容量Capacity of Buffer Solution Capacity of Buffer Solution 值越大,就相当于使单位体积缓冲溶液的pH值改变1个单位所需要加入强酸或强碱的量越多,缓冲能力越大。缓冲容量只是在一定范围内的平均值,加入强酸或强碱的量越少,pH值的改变量越小,缓冲容量的计算值越准确:db da=-=-|dpH|dpH|缓冲容量单位是molL-1 pH-1。2023
24、/6/13.3 缓冲溶液的缓冲容量Capacity of Buffer Solution Capacity of Buffer Solution 缓冲溶液pH值每发生一微小变化,都有相应的缓冲容量,换言之,缓冲容量是随着pH值的改变而改变的,这种变化关系如图:图3 1 缓冲容量与pH值的关系 a-HCl;b,c-HAc-NaAc;d-0.05mol/LKH2PO4-NaOH;e-0.05mol/LH3BO3-NaOH;f-NaOH2023/6/13.3 缓冲溶液的缓冲容量Capacity of Buffer Solution Capacity of Buffer Solution(2)影响缓冲
25、容量的因素(Factors of Influencing Buffer capacity)缓冲容量的大小取决于缓冲溶液的总浓度和缓冲比。(2.1)缓冲溶液总浓度对缓冲溶液的影响 2023/6/13.3 缓冲溶液的缓冲容量Capacity of Buffer Solution Capacity of Buffer Solution 当缓冲比一定时,缓冲溶液的总浓度越大,则缓冲容量就越大(如上图曲线b和c).此变化关系还可以用下表实例说明:Table 3-1:the relationship between capacity and concentration-Buffer Ac-(mol/L)H
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