第3章 緩沖溶液

1、 人體內(nèi)的各種體液都具有一定的人體內(nèi)的各種體液都具有一定的pH范圍，范圍，如血液的如血液的pH范圍為范圍為7.357.45，如果超出這如果超出這個(gè)范圍，就會(huì)出現(xiàn)酸中毒和堿中毒。因此，個(gè)范圍，就會(huì)出現(xiàn)酸中毒和堿中毒。因此，維持溶液和體液的維持溶液和體液的pH基本恒定，在化學(xué)和醫(yī)基本恒定，在化學(xué)和醫(yī)學(xué)上都同樣具有重要的意義學(xué)上都同樣具有重要的意義。 許多化學(xué)反應(yīng)，需要在一定的酸度條件許多化學(xué)反應(yīng)，需要在一定的酸度條件下才能正常進(jìn)行。下才能正常進(jìn)行。第三章 緩沖溶液Buffer Solution學(xué)習(xí)要求掌握緩沖溶液的概念、組成和緩沖機(jī)理。掌握影響緩沖溶液pH的因素、應(yīng)用Henderson-Hasse

2、lbalch方程式計(jì)算緩沖溶液pH值。掌握緩沖容量的概念、影響因素及有關(guān)計(jì)算。熟悉配制緩沖溶液的原則和方法。了解醫(yī)學(xué)上常用緩沖溶液配方和標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液。熟悉血液中的主要緩沖系及在穩(wěn)定血液pH過程中的作用。 2.0012.00 往往10ml pH=5.00的的HCl溶液中溶液中 加入加入: 0.10 ml(2滴滴) 1.0 M HCl 加入加入: 0.10 ml(2滴滴) 1.0 M NaOH 3 4.96 5.09 往上述混合溶液中往上述混合溶液中 加入加入: 0.10 ml(2滴滴) 1.0 M HCl 加入加入: 0.10 ml(2滴滴) 1.0 M NaOH 2 5.01 5.0 ml 0

3、.20 M HAc 9.0 ml 0.20 M NaAc 1 pH (實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)) 溶溶 液液 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 可見，加入少量強(qiáng)酸可見，加入少量強(qiáng)酸( (或強(qiáng)堿或強(qiáng)堿) )溶液后，對(duì)溶液后，對(duì)No.1 溶液的溶液的pH影響很小。影響很小。No.1溶液有溶液有緩沖作用緩沖作用。 第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖溶液的緩沖作用和組成結(jié)論 HAc NaAc 混合溶液有抵抗外來少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿而保持pH值基本不變的能力。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖溶液的緩沖作用和組成緩沖溶液（buffer solution）能抵抗外來少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稍加稀釋，而保持其pH基本不變的溶液。緩沖作用（buffer action）

4、緩沖溶液對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稀釋的抵抗作用。緩沖溶液的組成一般由足夠濃度的共軛酸堿對(duì)的兩種物質(zhì)組成。組成緩沖溶液的共軛酸堿對(duì)的兩種物質(zhì)合稱為緩沖系(buffer system)或緩沖對(duì)(buffer pair)。第一節(jié)第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖溶液的緩沖作用和組成緩沖溶液的緩沖作用和組成常見的緩沖系常見的緩沖系 質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡HAc+H2O Ac-+H3O+H2CO3+ H2O HCO3-+H3O+H3PO4+H2O H2PO4-+H3O+TrisH+H2O Tris+H3O+H2C8H4O4+H2O HC8H4O4-+H3O+NH4+H2O NH3+H3O+CH3NH3+H2O

5、 CH3NH2+H3O+H2PO4-+H2O HPO42-+H3O+HPO42-+H2O PO43-+H3O+緩沖系HAc-NaAcH2CO3-NaHCO3H3PO4-NaH2PO4TrisHCl -TrisH2C8H4O4- KHC8H4O4NH4Cl - NH3CH3NH3+Cl - CH3NH2NaH2PO4- Na2HPO4Na2HPO4- Na3PO4質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡HAc+H2O Ac-+H3O+H2CO3+ H2O HCO3-+H3O+H3PO4+H2O H2PO4-+H3O+TrisH+H2O Tris+H3O+H2C8H4O4+H2O HC8H4O4-+H3O+NH4+H2O N

6、H3+H3O+CH3NH3+H2O CH3NH2+H3O+H2PO4-+H2O HPO42-+H3O+HPO42-+H2O PO43-+H3O+緩沖系HAc-NaAcH2CO3-NaHCO3H3PO4-NaH2PO4TrisHCl -TrisH2C8H4O4- KHC8H4O4NH4Cl - NH3CH3NH3+Cl - CH3NH2NaH2PO4- Na2HPO4Na2HPO4- Na3PO4緩沖溶液的組成緩沖溶液的組成1弱酸及其對(duì)應(yīng)的鹽弱酸及其對(duì)應(yīng)的鹽 例如例如，HAc-NaAc 2多元弱酸的酸式鹽及其對(duì)應(yīng)的次級(jí)鹽多元弱酸的酸式鹽及其對(duì)應(yīng)的次級(jí)鹽。 3弱堿及其對(duì)應(yīng)的鹽弱堿及其對(duì)應(yīng)的鹽 例如

7、例如：NH3-NH4Cl例如例如：NaHCO3-Na2CO3第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖溶液的緩沖作用和組成在實(shí)際應(yīng)用中，還采用酸堿反應(yīng)的生成物與剩余的反應(yīng)物組成緩沖系。弱酸（過量）+ 強(qiáng)堿強(qiáng)酸 + 弱堿（過量）優(yōu)點(diǎn)：HCl 和 NaOH 溶液常備試劑，容易獲得。弱酸或弱堿的濃度即緩沖系的總濃度。通常緩沖溶液的pH需要在pH計(jì)監(jiān)控下調(diào)整，滴加強(qiáng)堿/酸易于操作。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖機(jī)制以HAcAc-體系為例緩沖溶液存在大量HAc和Ac- ，質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡n當(dāng)加入少量強(qiáng)酸時(shí)消耗掉外來的H+離子，而溶液的pH保持基本不變。H+ + Ac- HAcn當(dāng)加入少量強(qiáng)堿時(shí)質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡右移，補(bǔ)充消耗

8、掉的H3O+離子，而的pH值保持基本不變。OH- + H3O+ 2H2O共軛堿稱為抗酸成分，共軛酸稱為抗堿成分。HAc + H2OH3O+ + Ac-第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖機(jī)制結(jié)論結(jié)論 由于緩沖溶液中同時(shí)含有較大量的抗堿成分和抗酸成分，消耗外來的少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿。 它們通過弱酸解離平衡的移動(dòng)，使溶液H+離子或OH-離子濃度未有明顯的變化，因此具有緩沖作用。 以以HAc-NaAc緩沖溶液為例（緩沖溶液為例（）HAc + H2OH3O+ + Ac- NaAc Na+ + Ac- 少量少量H+平衡向左移動(dòng)平衡向左移動(dòng)共軛堿是抗酸成分共軛堿是抗酸成分以以HAc-NaAc緩沖溶液為例（緩沖溶液為例

9、（）：）：HAc + H2OH3O+ + Ac- NaAc Na+ + Ac- 少量少量OH-平衡向右移動(dòng)平衡向右移動(dòng)共軛酸是抗堿成分共軛酸是抗堿成分第二節(jié) 緩沖溶液的pH值 緩沖溶液pH值的計(jì)算公式：HendersonHasselbalch方程式 以HB代表弱酸，并與NaB組成緩沖溶液。 HB + H2OH3O+ + B-NaBNa+ + B-第二節(jié) 緩沖溶液的pH值 緩沖溶液pH值的計(jì)算公式如何推求HendersonHasselbalch方程式 HB + H2OH3O+ + B-第二節(jié) 緩沖溶液的pH值 緩沖溶液pH值的計(jì)算公式HendersonHasselbalch方程式的意義緩沖溶液的

10、pH首先取決于pKa pKa值一定，其pH值隨著緩沖比B-/HB的改變而改變。當(dāng)緩沖比等于1時(shí)，pH等于pKa第二節(jié) 緩沖溶液的pH值 緩沖溶液pH值的計(jì)算公式HendersonHasselbalch方程式的應(yīng)用HB在溶液中只少部分解離，且因B-的同離子效應(yīng)，使HB幾乎完全以分子狀態(tài)存在。所以第二節(jié) 緩沖溶液的pH值 緩沖溶液pH值的計(jì)算公式由于 c = n/V，所以第二節(jié) 緩沖溶液的pH值 緩沖溶液pH值的計(jì)算公式根據(jù) n = cV，若取儲(chǔ)備液 c(B-) = c(HB)(混合前的濃度) 例例: 1L緩沖溶液中含有緩沖溶液中含有0.10molHAc和和0.20mol NaAc, 求該緩沖溶液

11、的求該緩沖溶液的pH值值。 Ka(HAc) =1.7610-5 解：該緩沖溶液中含有解：該緩沖溶液中含有HAc-NaAc緩沖對(duì)緩沖對(duì) 又又 Ka(HAc) =1.7610-5 Ca =0.10molL-1 Cb = 0.20 molL-1 pH =CbCa0.200.10pKa + lg = 4.75 + lg= 5.05 例：將例：將100ml0.10molL-1鹽酸溶液加入到鹽酸溶液加入到400ml0.10 molL-1氨水中，求混合后溶液氨水中，求混合后溶液的的pH值，已知值，已知Kb(NH3) =1.7610-5 解：加入的鹽酸完全與氨反應(yīng)解：加入的鹽酸完全與氨反應(yīng)： NH3 + H+

12、 = NH4+ 混合后，溶液中各組分的濃度為：混合后，溶液中各組分的濃度為：Ca = 1000.1400+100= 0.02(molL-1)Cb = 4000.101000.10400 +100= 0.06 (molL-1)pKa(NH4+ ) = 9.25pH = pKa + lgCbCa = 9.25 + lg0.060.02 =9.73第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍一、緩沖容量 緩沖溶液的緩沖能力有一定限度，當(dāng)加入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿過量，緩沖溶液的pH將發(fā)生較大的變化，失去緩沖能力。用緩沖容量作為衡量緩沖能力大小的尺度。定義為 緩沖容量緩沖容量（）在數(shù)值上等于使在數(shù)值上等于使1L緩沖溶液緩沖溶液值改

13、變值改變1個(gè)個(gè)pH單位時(shí)，所需加入一元強(qiáng)酸或一單位時(shí)，所需加入一元強(qiáng)酸或一元強(qiáng)堿的物質(zhì)的量元強(qiáng)堿的物質(zhì)的量影響緩沖容量的因素影響緩沖容量的因素v 總濃度總濃度當(dāng)緩沖比一定，總濃度越大，緩沖容量越大。當(dāng)緩沖比一定，總濃度越大，緩沖容量越大。v 緩沖比緩沖比a.a.最大緩沖容量最大緩沖容量 當(dāng)總濃度一定時(shí)，緩沖比等于當(dāng)總濃度一定時(shí)，緩沖比等于1 1時(shí)，緩沖容時(shí)，緩沖容量最大，此時(shí)溶液：量最大，此時(shí)溶液：第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍四、緩沖范圍 把緩沖溶液pH=pKa1變化范圍稱為緩沖范圍。第四節(jié) 緩沖溶液的配制一、配制方法1選擇合適的緩沖系：（1）pH在pKa1緩沖范圍內(nèi)并盡量接近弱酸pKa。（2）

14、緩沖系的物質(zhì)必須對(duì)主反應(yīng)無干擾。2配制的緩沖溶液的總濃度要適當(dāng)： 一般總濃度0.05molL-10.2molL-1。3計(jì)算所需緩沖系的量： 根據(jù)Henderson-Hasselbalch方程計(jì)算。4校正： 需在pH計(jì)監(jiān)控下，對(duì)所配緩沖溶液的pH校正。1、已知、已知H3PO4的的pKa1=2.12，pKa2=7.21，pKa3=12.67，若配制，若配制pH=7.4的緩沖溶液，應(yīng)的緩沖溶液，應(yīng)選擇的緩沖對(duì)為：選擇的緩沖對(duì)為： （）（） A、H3PO4H2PO4-B、H2PO4-HPO42-C、HPO42-PO43- D、H3PO4HPO42-B第四節(jié) 緩沖溶液的配制二、標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液性

15、質(zhì)穩(wěn)定，有一定的緩沖容量和抗稀釋能力，用來校準(zhǔn)pH計(jì)。第五節(jié) 血液中的緩沖系 血漿中：H2CO3-HCO3-H2PO4-HPO42- HnP-Hn-1P-(血漿蛋白) 紅細(xì)胞中：H2b-Hb-(血紅蛋白)H2bO2-HbO2-(氧合血紅蛋白)H2CO3-HCO3-H2PO4-HPO42-第五節(jié) 血液中的緩沖系 在這些緩沖系中，碳酸緩沖系H2CO3-HCO3-的濃度最高，在維持血液pH的正常范圍中發(fā)揮的作用最重要。 碳酸緩沖系來源于呼吸作用的二氧化碳溶于血液生成的碳酸，與其離解產(chǎn)生的碳酸氫根離子，以及血液中貯存的碳酸氫根離子達(dá)成平衡：第五節(jié) 血液中的緩沖系 若血液的pH小于7.35，則會(huì)發(fā)生酸中毒(acidosis)；若pH大于7.45，則發(fā)生堿中毒(alkalosis)。若血液的pH小于6.8或大于7.8，就會(huì)導(dǎo)致死亡。 正常情況下，HCO3-與CO2溶解的比率為24mmolL-1比1.2mmolL-1，即20/1。 pKa1 =6.10，pH6.10 + lgpH7.40思 考 混合混合 20 mL 0.10 molL-1 的的 H3PO4與與 30 mL 0.10 molL-1 的的 NaOH，所得緩沖溶液的，所得緩沖溶液的pH=？ 已知：已知：pKa1=2.16， pKa2=7.21， pKa3=12.32。解：H3PO4 + NaOHNaH2PO4 + H2O