基础化学缓冲溶液讲

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1、第四章 缓冲溶液,Buffer Solution,内容提要,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,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,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、方法和步骤。了

2、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 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 缓冲溶液及缓冲机制,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。,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,0.10 molL-1 HAc 0.10 molL-1 NaA

3、c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。,第一节 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 缓冲溶液及缓冲机制,一、缓冲溶液及其作用机制 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。 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 缓冲溶液及缓冲机制,3 缓冲作用机制： 以H

4、AcAc-体系为例 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。 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 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,抗酸成分,示意图：,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,结论 缓冲溶液中同时含

5、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 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,共轭碱,HAc NH4Cl H2PO4-,NaAc NH3H2O HPO42-,抗酸成分,缓冲系,抗碱成分,组成示意图,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,第一节 缓冲溶

6、液及缓冲机制,常见的缓冲系,第二节 缓冲溶液pH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,第二节 缓冲溶液pH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- c(B-) ， HB c(HB) 所以,第二节 缓冲溶液pH的计算,由于 c = n/V，所以,第二节 缓冲溶液pH的计算,根据 n = cV，若取储备液 c(B-) = c(HB),第二节 缓冲溶液pH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。

7、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 缓冲溶液pH的计算,例 在500 mL 0.200 molL-1 NH3溶液中，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 = 4.75，则 的pKa = 14.00 - 4.75 = 9.25 c(NH3) = 0.200 molL-1 /2 = 0.100 molL-1 pH = pKa,第二节 缓冲溶液pH的

8、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=3.13、pKa2=4.76、pKa3=6.40。 过量H2Cit-与OH-反应： H2Cit-(aq) + OH-(aq) HCit2-(aq) + H2O(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-1 c(HCit2-) = 0.050 molL-1 / 2

9、= 0.025 molL-1,第三节 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。,第三节 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(c总=HB+B-) 及B-、HB的关系,第三节 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0.050.2 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

10、量愈大。缓冲比等于1时，缓冲容量有最大值,第三节 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 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 molL-1 KH2PO4+NaOH （5）0.05 molL-1 H2BO3+NaOH （6）NaOH+KCl,第三节 缓冲容量和缓冲范围,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：用相同浓度的共轭碱和共轭酸配制缓

11、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 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。,

12、第四节 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 缓冲溶液的配制,例 如何配制pH=4.50的缓冲溶液1000mL? 解 (1) 选择缓冲系 由于HAc的pKa= 4.756，接近所配缓冲溶液 pH=4.50，所以可选用HAc-Ac-缓冲

13、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 缓冲溶液的配制,设 V(NaAc) = x mL 则 ： V(Ac-) = x mL = 355mL V(HAc)= 1000mL - 355mL= 645mL,第四节 缓冲溶液的配制,例 pH接近于7.0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pH = 6.90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

14、溶液？已知H3PO4的pKa1 = 2.16、pKa2 = 7.21、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 缓冲溶液的配制,(1) H3PO4 (aq) + NaOH(aq) = NaH2PO4(aq) + H2O(l) 将H3PO4完全中和生成NaH2PO4，需0.10 molL-1NaOH 450

15、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 (45 - 0.10x) mmol， 解得 x = 148 共需NaOH溶液的体积为： 450 mL + 148 mL = 598 mL,第四节 缓冲溶液的配制,二、标准缓冲溶液 标准缓冲溶液性质稳定，有一定的缓冲容量和抗稀释能力，用来校准pH计。,第五节 血液中的缓冲系,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7.357.45之间 。,第五节 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。