缓冲溶液组成及缓冲机制课件

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1、第四章 缓冲溶液(4学时) 第一节 缓冲溶液组成及缓冲机制第二节 缓冲溶液的pH第三节 缓冲容量和缓冲范围第四节 缓冲溶液的配制第五节 血液中的缓冲系教学要求：掌握：缓冲溶液的概念、组成和缓冲机理；影响缓冲溶液pH的因素、应用Henderson-Hasselbalch方程式计算缓冲溶液pH值；缓冲容量的概念、影响因素及有关计算。理解：配制缓冲溶液的原则和方法；血液中的主要缓冲系及在稳定血液pH过程中的作用。了解：医学上常用缓冲溶液配方和标准缓冲溶液。人体各种体液的人体各种体液的pHpH值值体液pH体液pH血清7.357.45大肠液8.38.4成人胃液0.91.5乳液6.66.9婴儿胃液5.0泪

2、液7.4唾液6.356.85尿液4.87.5胰液7.58.0脑脊液7.357.45小肠液7.6左右生物体液都有各自相对稳定的pH值。比如血液pH=7.357.45，超过此范围，就会引起酸或者碱中毒。而生物体自身代谢也能产生一些酸碱物质，如柠檬酸、乳酸等。从体外也能引入酸碱物质，但体液pH值并不以这些酸碱物质的摄入而改变体液的缓冲作用。缓冲作用的意义1、本章所讨论的缓冲作用原理，将直接应用 于后续课程如病理学、生理学中，用于理解 和探讨人体生理机制和病理生理变化，尤其 是体液的酸碱平衡、水盐代谢等正常状态和 失调等原因。2、应用于基础医学和临床医学研究中，尤其 是在细胞生物学，生物化学，微生物学

3、和免 疫学实验中，广泛使用缓冲溶液来维持研究 体系的酸碱环境。第一节 缓冲溶液组成及缓冲 机制 一、缓冲溶液的缓冲作用和组成二、缓冲机制0.10 molL-1 NaCl溶液NaCl溶液中加入HCl到 0.010 molL-1 ，溶液的 pH由7变为2，改变了5 个pH单位。一、缓冲溶液的缓冲作用和组成0.10 molL-1 HAc 0.10 molL-1 NaAc溶 液0.10 molL-1 HAc 0.10 molL-1 NaAc溶液 溶液中加入HCl到0.010 molL-1 ，溶液的pH由 4.75变为4.74，改变仅 0.01pH单位。(一) 缓冲溶液(buffer solution)

4、: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。 (二) 缓冲作用(buffer action)：缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。 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。 (三)缓冲溶液的组成缓冲溶液一般由足够浓度的共轭酸碱对的两种物质组成。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)。 HAc-NaAc ； NH3-NH4Cl1、弱酸及其共轭碱如： HAc/NaAc; H2CO3/NaHCO32、弱

5、碱及其共轭酸如： NH3 H2O /NH4Cl；CH3NH2/CH3NH3+Cl-3、多元酸酸式盐及其共轭碱如：NaHCO3/Na2CO3；NaH2PO4/Na2HPO4常见的缓冲系 共轭酸HAcNH4ClH2PO4-共轭碱NaAcNH3H2OHPO42-缓冲对抗碱成分Anti-Base component抗酸成分Anti-Acid component在20ml、0.1mol/L HAc溶液中，加入10ml、0.1mol/L NaOH，这个溶液是否缓冲溶液？HAc + NaOH NaAc + H2O QUESTION二、缓冲机制* 以HAc-NaAc缓冲系为例:由于同离子效应，达平衡时，HAc

6、几乎完全以 分子状态存在，所以溶液中含有大量的HAc与Ac-， 且为共轭酸碱对。(1)Ac-(共轭碱)为缓冲溶液的抗酸成分*。(2)HAc(弱酸) 为缓冲溶液的抗碱成分*。HAc + H2O H3O+ + Ac-NaAc Na+ + Ac-大量大量HAc(大量) H+ Ac-(大量)H+ 抗酸机制抗酸机制 Anti-AcidAnti-Acid Mechanism Mechanism平衡向左移动少量HClNaAcNa+HAc(大量) H+ Ac-(大量)OH-+H2O抗碱机制抗碱机制 Anti-BaseAnti-Base Mechanism Mechanism平衡向右移动少量NaOHNaAcNa

7、+总之，由于缓冲溶液中同时含有较大量的弱酸(抗碱成分)和共轭碱(抗酸成分)，它们通过弱酸解离平衡的移动以达到消耗掉外来的少量强酸、强碱，或对抗稍加稀释的作用，使溶 液的H+离子或OH-离子浓度没有明显的变化，因此缓冲溶液具有缓冲作用。 但缓冲溶液的缓冲作用不是无限的。第二节 缓冲溶液pH的计算一、缓冲溶液pH的计算公式二、缓冲溶液pH的计算公式的校正一、缓冲溶液pH的计算公式* 以HB-NaB 表示缓冲系，溶液中存在如下质子转移平衡：两边取负对数:式(4.2)是计算缓冲溶液pH的Henderson- Hasselbach方程式。 *又称缓冲公式pKa为弱酸的解离常数的负对数；B-和HB均为平衡

8、浓度。HB的浓度为c(HB) (或称起始浓度,配制浓度)，NaB的浓度为c(NaB)；HB解离部分的浓度为c(HB) 。式又可表示为：则： HB平 = c(HB) - c(HB) * B-平 = c(NaB)+ c(HB) * HB平c(HB) ，B-平c(NaB) c(B-) *式(4.3)可改写为:若缓冲溶液的体积以V 表示，则由上面公式可知: 缓冲溶液的pH值取决于弱酸的解离常数Ka及 B/HB(缓冲比)。由上面公式可知: 缓冲溶液的pH值取决于弱酸的解离常数Ka及 B/HB(缓冲比)。若温差不太大时，温度对pH值的影响可忽略*。例4-1 计算0.10molL-1 NH3 20ml和 0

9、.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=9.08例4-2 在80mL0.10molL-1HAc加入40mL 0.10molL -1 NaOH，求此溶液的pH。（HAc的K a=1.7510-5）解 HAc+NaOH NaAc+H2OHAc过量，故该溶液是HAc-NaAc缓冲系n（HAc）=0.1（80-40）= 4mmol n（Ac-）=0.140 = 4mmol pH=pKa+ =4.75+ = 4.75 NH3H2O-NH4Cl缓冲溶液：pH =pKa弱碱

10、与其共轭酸组成缓冲溶液弱碱与其共轭酸组成缓冲溶液Na2HPO4-Na3PO4缓冲溶液：NaHCO3-Na2CO3缓冲溶液：多元酸酸式盐与其共轭碱缓冲溶液多元酸酸式盐与其共轭碱缓冲溶液例4-3 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=6.51二、缓冲溶液pH的计算公式的校正(略)*一、缓冲容量二、影响缓冲容量的因素 三、缓冲范围 第三节 缓冲容量和缓冲范围一、缓冲容量 (buffer capa

11、city)缓冲容量：在数值上等于使单位体积(1L或 1ml)的缓冲溶液的pH值改变一个单位时，所需外加 一元强酸或一元强碱的物质的量(mol或mmol)。用微分式表示为：式中：V 是缓冲溶液的体积，单位为L或ml； dna(b) 是缓冲溶液中加入一元强酸(dna)或一元强碱 (dnb)的物质的量，单位是mol或mmol；为缓冲溶液pH值的改变量。由上式可知：1.值均为正值。2.值愈大，缓冲能力愈强。由式可导出缓冲容量与缓冲溶液B-、 HB及总浓度(c总=B-+HB)的关系* ：2.303B-HB/c总在100ml, pH=4.73的缓冲溶液中,加入 0.003molNaOH,缓冲溶液的pH值变

12、为4.78，求 此缓冲溶液的缓冲容量。解： pH=4.78-4.73=0.05n=3/100=0.03example编 号缓冲比 加NaOH后的 c总 Ac-/HAc pH pH pH 1 2 3 40.2 1:1 4.75 4.76 0.01 0.1 0.02 1:1 4.75 4.83 0.08 0.013 0.2 1:9 3.80 3.83 0.03 0.034 0.2 9:1 5.70 5.72 0.02 0.05二、影响缓冲容量的因素* 向50.0mL总浓度为0.2molL-1 HAc-Ac-的缓冲溶液中， 加入0.05mL 1.0molL-1的NaOH溶液，根据不同缓冲比时 ，各溶

13、液pH的变化情况，可算出相应的 c总一定，缓冲比B-/HB=1时值最大 ，此时，pH=pKa ，缓冲比偏离1越远， pH偏离pKa越远，缓冲容量值越小。与总浓度(c总)和缓冲比(B-/HB)有关。1.当缓冲比一定时，c总越大，越大。2.缓冲容量与缓冲比的关系2.303B-HB/c总 极大2.303(c总/2)(c总/2)/ c总极大=0.576 c总 总浓度相同(曲线4,5)的缓冲溶液，具有相 同的极大值，与缓冲系的种类无关。缓冲容量 与pH的关系 （1）HCl （2）0.1 molL-1 HAc+NaOH （3）0.2 molL-1 HAc+NaOH （4）0.05 molL-1 KH2PO

14、4+NaOH （5）0.05 molL-1 H2BO3+NaOH （6）NaOH三、缓冲范围缓冲溶液pH=pKa1变化范围称为缓冲范围。缓冲系不同，各弱酸的pKa不同，则缓冲范围不同。值极小(最大)值极小缓冲容量减弱缓冲容量减弱pH=pKa1pH=pKa1pH=pKapH=pKa1第四节 缓冲溶液的配制 一、缓冲溶液的配制方法二、标准缓冲溶液欲配制具有一定pH值、且有足够缓冲能力的溶液，应按下述原则:1.选择适当的缓冲系*a.具有缓冲能力,且缓冲能力愈大愈好。(使所配制的缓冲溶液的pH值在所选缓冲系的缓冲范围内 。且尽可能选pKa更接近欲配制溶液的pH值的缓冲系)b.实用性。 (所选缓冲系物质应稳定、无毒，不能与溶液中的反应物或产物发生作用。)2.配制的缓冲溶液的总浓度要适当。一般为: 0.050.2molL-1。 一、缓冲溶液的配制方法一般，据所要求的pH值和所选缓冲系中共轭酸的pKa求出缓冲比。可根据具体情况选用公式计算出所需弱酸及其共轭碱的量。4.校正。按照计算结果，混合所需的弱酸和共 轭碱溶液，即得所需pH值近似的缓冲溶液。如果对pH值