第四章第四節(jié)緩沖溶液

1、第四節(jié)第四節(jié)緩沖溶液緩沖溶液溶液的溶液的pH與化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)許多反應(yīng)，包括生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，往往許多反應(yīng)，包括生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，往往需要在一定需要在一定pH條件下才能正常進(jìn)行。例如細(xì)條件下才能正常進(jìn)行。例如細(xì)菌培養(yǎng)、生物體內(nèi)的酶催化反應(yīng)等。當(dāng)菌培養(yǎng)、生物體內(nèi)的酶催化反應(yīng)等。當(dāng)pH不不合適或反應(yīng)過程中溶液的合適或反應(yīng)過程中溶液的pH有較大改變時，有較大改變時，都會影響反應(yīng)的正常進(jìn)行。都會影響反應(yīng)的正常進(jìn)行。正常人體血液的正常人體血液的pH范圍為范圍為7.357.45。若超。若超出這個范圍，就會出現(xiàn)不同程度的酸中毒或出這個范圍，就會出現(xiàn)不同程度的酸中毒或堿中毒癥狀，嚴(yán)重時可危及生命。堿中毒

2、癥狀，嚴(yán)重時可危及生命。因此，在某些情況下，保持相對恒定的因此，在某些情況下，保持相對恒定的pH，在科學(xué)研究和生命科學(xué)中具有重要的意義。在科學(xué)研究和生命科學(xué)中具有重要的意義。是否存在這樣的一類特定的溶液呢？是否存在這樣的一類特定的溶液呢？答案是肯定的，這就是我們本章將要學(xué)習(xí)的答案是肯定的，這就是我們本章將要學(xué)習(xí)的緩沖溶液。緩沖溶液。41 緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖溶液及緩沖機(jī)制 首先，我們進(jìn)行一個實(shí)驗(yàn)。儀器試劑如下：首先，我們進(jìn)行一個實(shí)驗(yàn)。儀器試劑如下：1、pH計計2、H2O3、NaCl4、HAcNaAc5、HCl6、NaOH注：上述溶液各物質(zhì)濃度均為注：上述溶液各物質(zhì)濃度均為0.1molL1實(shí)驗(yàn)

3、數(shù)據(jù)和結(jié)論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：確實(shí)有一類溶液，加入少根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：確實(shí)有一類溶液，加入少量酸、堿或適當(dāng)稀釋，可以保持相對恒定量酸、堿或適當(dāng)稀釋，可以保持相對恒定的的pH，這類溶液我們稱為緩沖溶液。，這類溶液我們稱為緩沖溶液。溶液溶液試劑試劑H2OHClNaOH1.0mlpH值值0.1ml0.1ml0.1mlH2O7.07.02.012.0NaCl7.07.02.012.0HAcNaAc4.74.74.64.8緩沖作用緩沖作用緩沖溶液所具有的抵抗外來的少量強(qiáng)酸或強(qiáng)緩沖溶液所具有的抵抗外來的少量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的侵入或抵抗適當(dāng)稀釋而保持溶液堿的侵入或抵抗適當(dāng)稀釋而保持溶液pH值值基本不變的作用。

4、基本不變的作用。緩沖溶液定義緩沖溶液定義具有抵抗外來的少量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的侵入或具有抵抗外來的少量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的侵入或抵抗適當(dāng)稀釋而保持溶液抵抗適當(dāng)稀釋而保持溶液pH值基本不變的值基本不變的溶液。溶液。 如：如： 0.1molL1 HAc 0.1molL1 NaAc 緩沖溶液的組成緩沖溶液的組成0.1molL1 HAc 0.1molL1 NaAc由足夠濃度及適當(dāng)比例的弱酸或弱堿的共軛酸堿由足夠濃度及適當(dāng)比例的弱酸或弱堿的共軛酸堿對組成。對組成。共軛酸起抗堿作用，叫抗堿成分；共軛酸起抗堿作用，叫抗堿成分；共軛堿起抗酸作用，叫抗酸成分；共軛堿起抗酸作用，叫抗酸成分；組成緩沖溶液的共軛酸堿對稱作緩沖系或緩

5、沖對組成緩沖溶液的共軛酸堿對稱作緩沖系或緩沖對緩沖系抗酸成分抗堿成分緩沖系抗酸成分抗堿成分緩沖溶液的組成類型緩沖溶液的組成類型1、弱酸共軛堿、弱酸共軛堿HAcNaAc2、弱堿共軛酸、弱堿共軛酸NH3NH4Cl3、多元酸酸式鹽共軛堿、多元酸酸式鹽共軛堿KH2PO4Na2HPO4緩沖溶液的緩沖作用機(jī)制緩沖溶液的緩沖作用機(jī)制緩沖溶液為什么具有緩沖作用呢？緩沖溶液為什么具有緩沖作用呢？下面以下面以0.1mol/LHAc0.1mol/LNaAc組成的組成的緩沖溶液為例，說明緩沖溶液的作用原理。緩沖溶液為例，說明緩沖溶液的作用原理。首先大家要有以下概念首先大家要有以下概念1. HAc、NaAc的數(shù)量相對很

6、大；的數(shù)量相對很大；2. 加入的酸、堿數(shù)量相對很?。患尤氲乃?、堿數(shù)量相對很小；3. 稀釋的程度是有限的。稀釋的程度是有限的。0.1mol/LHAc0.1mol/LNaAc緩沖溶液緩沖溶液HAc是弱電解質(zhì)，是弱電解質(zhì)，在水中在水中僅有部分解離僅有部分解離HAcH2O H3O AcNaAc是強(qiáng)電解質(zhì)，是強(qiáng)電解質(zhì)，在水中在水中是完全解離的是完全解離的 NaAc Na Ac緩沖溶液抗酸作用緩沖溶液抗酸作用 當(dāng)向緩沖溶液中加入少量當(dāng)向緩沖溶液中加入少量H外外時，增加了溶時，增加了溶液的液的H濃度，因?yàn)橥x子效應(yīng)的緣故，平衡濃度，因?yàn)橥x子效應(yīng)的緣故，平衡被破壞，根據(jù)平衡移動原理，平衡向左移動，被破壞，根

7、據(jù)平衡移動原理，平衡向左移動，以抑制溶液的以抑制溶液的H濃度的變化：濃度的變化：HAc H2O H3O Ac H外外緩沖溶液抗堿作用緩沖溶液抗堿作用當(dāng)向緩沖溶液中加入少量當(dāng)向緩沖溶液中加入少量OH外外時，將有反應(yīng)：時，將有反應(yīng)：HOH外外 H2O降低了溶液的降低了溶液的H濃度，平衡被破壞，根據(jù)平衡濃度，平衡被破壞，根據(jù)平衡移動原理，平衡向右移動，以抑制溶液的移動原理，平衡向右移動，以抑制溶液的H濃濃度的變化：度的變化：HAc H2O H3O Ac OH外外 H2O緩沖溶液的緩沖作用示意圖緩沖溶液的緩沖作用示意圖HAcAc緩沖溶液的抗酸抗堿機(jī)制示意圖緩沖溶液的抗酸抗堿機(jī)制示意圖 HAcH2O H

8、3OAc OH H H2O緩沖溶液在醫(yī)學(xué)上的意義緩沖溶液在醫(yī)學(xué)上的意義血液中的緩沖系血液中的緩沖系 人體血漿人體血漿pH值范圍為：值范圍為：酸中毒酸中毒 7.357.45 堿中毒堿中毒體內(nèi)酸性、堿性物質(zhì)來源：體內(nèi)酸性、堿性物質(zhì)來源：1、從食物中直接吸收、從食物中直接吸收飲料飲料2、從消化液中直接吸收、從消化液中直接吸收胃酸胃酸3、從新陳代謝中產(chǎn)物中吸收、從新陳代謝中產(chǎn)物中吸收糖、脂肪、蛋白質(zhì)等產(chǎn)生酸性物質(zhì)糖、脂肪、蛋白質(zhì)等產(chǎn)生酸性物質(zhì)水果、蔬菜等產(chǎn)生水果、蔬菜等產(chǎn)生堿堿性物質(zhì)性物質(zhì)血液緩沖結(jié)果：血液緩沖結(jié)果：進(jìn)入血液的酸或堿性物質(zhì)幾乎在瞬間被緩進(jìn)入血液的酸或堿性物質(zhì)幾乎在瞬間被緩沖掉。沖掉。血

9、紅細(xì)胞中的緩沖系血紅細(xì)胞中的緩沖系紅細(xì)胞中緩沖對：紅細(xì)胞中緩沖對：H2CO3HCO3H2PO4HPO42H2bO2HbO2(氧合血紅蛋白氧合血紅蛋白)H2bHb(血紅蛋白血紅蛋白)血漿中的緩沖系血漿中的緩沖系 H2CO3HCO3H2PO4HPO42HnPHn1P (蛋白質(zhì)蛋白質(zhì))H2CO3HCO3濃度最大，人體主要的緩沖對，濃度最大，人體主要的緩沖對，它對維持體內(nèi)血漿它對維持體內(nèi)血漿pH值起著重要的作用。值起著重要的作用。 其其中，中，HCO3是血漿中含量最多的抗酸成分，亦是血漿中含量最多的抗酸成分，亦稱之為堿儲。稱之為堿儲。人體血漿人體血漿pH值值人體血漿的緩沖比和人體血漿的緩沖比和pH值：

10、值：HCO3 / H2CO3 0.024/0.0012 20:1CO2(溶溶)H2O H2CO3 H3OHCO3 pHpKa1lg HCO3/CO2 6.1lg 20/17.4血液中的緩沖比：血液中的緩沖比：HCO3/CO220/1是否失去是否失去緩沖作用能力？緩沖作用能力？雖然血液中的緩沖比超出正常緩沖溶液的緩雖然血液中的緩沖比超出正常緩沖溶液的緩沖比范圍。但人體是沖比范圍。但人體是開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)，隨時可以通，隨時可以通過肺、腎調(diào)節(jié)補(bǔ)充過肺、腎調(diào)節(jié)補(bǔ)充HCO3及及CO2的含量。的含量。事實(shí)上進(jìn)入血液的酸或堿性物質(zhì)幾乎在瞬間事實(shí)上進(jìn)入血液的酸或堿性物質(zhì)幾乎在瞬間被緩沖掉。被緩沖掉。人體調(diào)節(jié)人

11、體調(diào)節(jié)pH值的基本方法值的基本方法人體調(diào)節(jié)人體調(diào)節(jié)pH值的基本方法是使以下緩沖比值的基本方法是使以下緩沖比處于正常值處于正常值HCO3/H2CO320/1主要由肺和腎共同作用來完成。主要由肺和腎共同作用來完成。肺調(diào)節(jié)緩沖比的分母，即肺調(diào)節(jié)緩沖比的分母，即H2CO3腎調(diào)節(jié)緩沖比的分子，即腎調(diào)節(jié)緩沖比的分子，即HCO3肺在維持酸堿平衡中的作用肺在維持酸堿平衡中的作用肺在維持體內(nèi)酸堿平衡中的作用于是通過肺在維持體內(nèi)酸堿平衡中的作用于是通過呼吸運(yùn)動來調(diào)節(jié)血漿中呼吸運(yùn)動來調(diào)節(jié)血漿中H2CO3的濃度。的濃度。當(dāng)體內(nèi)酸性物質(zhì)增加時當(dāng)體內(nèi)酸性物質(zhì)增加時CO2(溶溶)H2O H2CO3 H3OHCO3H平衡向左

12、移動，平衡向左移動， HCO3 ，H2CO3 ，HCO3 /H2CO3 20/1 PCO2增加增加刺激刺激CO2壓力感受器壓力感受器使呼吸中使呼吸中樞興奮樞興奮呼吸加深加快呼吸加深加快呼出更多呼出更多CO2 血漿血漿H2CO3 下降下降HCO3/H2CO320/1 pH恢復(fù)至正常水平恢復(fù)至正常水平當(dāng)體內(nèi)堿性物質(zhì)增加時當(dāng)體內(nèi)堿性物質(zhì)增加時CO2(溶溶)H2O H2CO3 H3OHCO3 OH H2O平衡向右移動，平衡向右移動，HCO3 ，H2CO3 ，HCO3 /H2CO3 20/1 PCO2減小減小刺激刺激CO2壓力感受器壓力感受器使呼吸中使呼吸中樞抑制樞抑制呼吸變淺變慢呼吸變淺變慢減少減少呼

13、出呼出CO2 血漿血漿H2CO3 上升上升HCO3/H2CO320/1 pH恢復(fù)至正常水平恢復(fù)至正常水平肺的緩沖機(jī)制肺的緩沖機(jī)制肺是通過多呼或少呼出肺是通過多呼或少呼出CO2的方式，精確的方式，精確地調(diào)節(jié)著緩沖對的分母，使緩沖對的比值地調(diào)節(jié)著緩沖對的分母，使緩沖對的比值恢復(fù)正常，以維持血液的恢復(fù)正常，以維持血液的pH值處在相對恒值處在相對恒定的范圍之內(nèi)。定的范圍之內(nèi)。肺的調(diào)節(jié)作用是較迅速的，在正常情況下肺的調(diào)節(jié)作用是較迅速的，在正常情況下1030分鐘內(nèi)即可完成。分鐘內(nèi)即可完成。腎在維持酸堿平衡中作用腎在維持酸堿平衡中作用腎的緩沖機(jī)制：補(bǔ)充腎的緩沖機(jī)制：補(bǔ)充HCO3、排酸保堿作用。排酸保堿作用。

14、精確地調(diào)節(jié)著緩沖對的分子，使緩沖對的比精確地調(diào)節(jié)著緩沖對的分子，使緩沖對的比值恢復(fù)正常，以維持血液的值恢復(fù)正常，以維持血液的pH值處在相對恒值處在相對恒定的范圍之內(nèi)。定的范圍之內(nèi)。當(dāng)體內(nèi)酸性物質(zhì)增加時當(dāng)體內(nèi)酸性物質(zhì)增加時CO2(溶溶)H2O H2CO3 H3OHCO3H平衡向左移動，平衡向左移動， HCO3 ，H2CO3 ，HCO3 /H2CO3 20/1平衡左移，消耗的平衡左移，消耗的HCO3由腎臟補(bǔ)充，由腎臟補(bǔ)充，同時：同時：H2PO4H2O HPO42H3ONH4H2O NH3H3O平衡左移，平衡左移，H2PO4、NH4隨尿隨尿排出體外，當(dāng)排出體外，當(dāng)機(jī)體機(jī)體排排H，尿液酸度增高，尿液酸

15、度增高，機(jī)體排酸。機(jī)體排酸。當(dāng)體內(nèi)堿性物質(zhì)增加時當(dāng)體內(nèi)堿性物質(zhì)增加時CO2(溶溶)H2O H2CO3 H3OHCO3 OH H2O平衡向右移動，平衡向右移動，HCO3 ，H2CO3 ，HCO3 /H2CO3 20/1 腎臟減慢腎臟減慢HCO3的釋放，的釋放，同時：同時：H2PO4H2O HPO42H3ONH4H2O NH3H3O平衡平衡右右移，移，H2PO4、NH4排出量減少，尿液排出量減少，尿液酸度減低，酸度減低，機(jī)體保堿。機(jī)體保堿。酸堿中毒酸堿中毒 正常的酸堿平衡：正常的酸堿平衡：HCO3/H2CO320/1人體血漿人體血漿pH值范圍：值范圍：pH7.357.45機(jī)體機(jī)體內(nèi)酸性內(nèi)酸性或堿或

16、堿性物質(zhì)過多，性物質(zhì)過多，超過了機(jī)體調(diào)超過了機(jī)體調(diào)節(jié)機(jī)能力，使血漿：節(jié)機(jī)能力，使血漿：HCO3/H2CO318/1或：或：HCO3/H2CO322/1即即人體血漿人體血漿pH值：值：pH7.35酸中毒酸中毒pH7.45堿中毒堿中毒酸中毒類型及糾正酸中毒類型及糾正 呼吸性酸中毒：呼吸性酸中毒：由于肺部呼出障礙，血漿中由于肺部呼出障礙，血漿中H2CO3 ， NaHCO3/H2CO320/1，血液，血液pH 糾正：提高通氣量、給糾正：提高通氣量、給O2等措施等措施，糾正糾正CO2潴留和缺潴留和缺O(jiān)2的狀況，肺部呼出的狀況，肺部呼出CO2轉(zhuǎn)為正常，轉(zhuǎn)為正常，酸中毒糾正。酸中毒糾正。代謝性酸中毒：代謝性酸中毒：血漿中血漿中NaHCO3 ，NaHCO3/H2CO320/1 ，血液，血液pH 腹瀉腹瀉、腸堿液丟失、脫水和酸中毒、腎排酸保、腸堿液丟失、脫水和酸中毒、腎排酸保堿作用出現(xiàn)障礙。堿作用出現(xiàn)障礙。糾正：糾正： NaHCO3或凡在體內(nèi)能夠變成或凡在體內(nèi)能夠變成HCO3的物質(zhì)均可作為堿性藥物。如乳酸鈉、的物質(zhì)均可作為堿性藥物。如乳酸鈉、 THAM （三羥