基礎化學緩沖溶液稿教學課件

1、第四章 緩沖溶液Buffer Solution第1頁，共42頁。內(nèi)容提要1. 緩沖溶液及緩沖機制 緩沖溶液及其作用機制 緩沖溶液的組成2. 緩沖溶液pH的計算 緩沖溶液pH的近似計算公式 緩沖溶液pH計算公式的校正3. 緩沖容量和緩沖范圍 緩沖容量 影響緩沖容量的因素 緩沖范圍第2頁，共42頁。內(nèi)容提要4. 緩沖溶液的配制 常用緩沖溶液的配制方法 標準緩沖溶液5. 血液中的緩沖系第3頁，共42頁。教學基本要求掌握緩沖溶液的概念、組成和作用機制。掌握影響緩沖溶液pH的因素、應用Henderson-Hasselbalch方程式計算緩沖溶液的pH值。掌握緩沖容量的概念、影響因素及有關計算。熟悉配制緩

2、沖溶液的原則、方法和步驟。了解醫(yī)學上常用緩沖溶液配方和標準緩沖溶液的組成。熟悉血液中的主要緩沖系及其在穩(wěn)定血液pH過程中的作用。第4頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制實驗 樣品1：0.10 molL-1 NaCl溶液 樣品2：含 HAc 和 NaAc 均為0.10 molL-1的 混合溶液操作：滴加強酸 HCl 至c(HCl)=0.010 molL-1觀察現(xiàn)象：pH的變化第5頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制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變?yōu)?，改變了5個pH單位。第6頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制

3、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變?yōu)?.74，改變僅0.01pH單位。第7頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制結(jié)論 HAc NaAc 混合溶液具有抵抗外來少量強酸、強堿而保持pH基本不變的能力。第8頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制一、緩沖溶液及其作用機制緩沖溶液（buffer solution）能夠抵抗少量外來強酸、強堿，或在有限量稀釋時，保持其pH基本不變的溶液。緩沖作用（buffer action）緩沖溶液對強

4、酸、強堿或稀釋的抵抗作用。第9頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制3 緩沖作用機制：以HAcAc-體系為例當加入少量強酸時，增加的H3O+與Ac-作用 ，質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡左移，溶液的pH保持基本不變。當加入少量強堿時， 加入的OH-與H3O+結(jié)合，質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡右移，補充消耗掉的H3O+離子，而溶液的pH保持基本不變。第10頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制用質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡式表示 加少量強酸：H3O + + Ac - HAc + H2O (大量)加少量強堿：H3O+ + OH- 2H2O HAc + H2O Ac- + H3O+ + (大量) HAc + OH - Ac- + H2O抗堿成分

5、抗酸成分第11頁，共42頁。HAc Ac-H3O+OH-HAcAc-示意圖：第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制 Ac-HAc第12頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制結(jié)論 緩沖溶液中同時含有較大量的抗堿成分和抗酸成分，分別抵抗的只是外來的少量強酸、強堿。 通過共軛酸堿對的質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡的移動，使溶液中H+離子或OH-離子濃度無明顯的變化，因此具有緩沖作用。第13頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制二、緩沖溶液的組成 一般由具有足夠濃度和適當比例的共軛酸堿對的兩種物質(zhì)組成。共軛酸稱為抗堿成分，共軛堿稱為抗酸成分。 組成緩沖溶液的共軛酸堿對的兩種物質(zhì)合稱為緩沖系(buffer system)或緩沖對

6、(buffer pair)。第14頁，共42頁。共軛酸共軛堿HAcNH4ClH2PO4-NaAcNH3H2OHPO42-抗酸成分緩沖系抗堿成分組成示意圖第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制第15頁，共42頁。第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機制常見的緩沖系 第16頁，共42頁。第二節(jié) 緩沖溶液pH的計算一、緩沖溶液pH的近似計算公式 1. 基本公式 HendersonHasselbalch方程式 弱酸(HB)及其共軛堿(B-)組成的緩沖溶液中HB + H2OH3O+ + B-pHpKa + lgpKa + lg第17頁，共42頁。第二節(jié) 緩沖溶液pH的計算 2. HendersonHasselbalch方程式的應

7、用由于緩沖溶液中存在同離子效應， B- c(B-) ， HB c(HB) 所以第18頁，共42頁。第二節(jié) 緩沖溶液pH的計算 由于 c = n/V，所以第19頁，共42頁。第二節(jié) 緩沖溶液pH的計算 根據(jù) n = cV，若取儲備液 c(B-) = c(HB)第20頁，共42頁。第二節(jié) 緩沖溶液pH的計算 3.緩沖溶液pH計算公式的意義緩沖溶液的pH主要取決于Ka。溫度對Ka有影響。 pKa值一定，其pH隨著緩沖比B-/HB的改變而改變。當緩沖比等于l時，pH等于pKa。緩沖溶液稀釋時，B-/HB比值基本不變，pH基本不變。上述公式只適用于緩沖溶液pH的近似計算。 第21頁，共42頁。第二節(jié) 緩

8、沖溶液pH的計算 例 在500 mL 0.200 molL-1 NH3溶液中，加入4.78 g NH4Cl固體，配制1L緩沖溶液，求此緩沖溶液的pH。解 查表4-1，NH3H2O的pKb = 4.75，則 的pKa = 14.00 - 4.75 = 9.25 c(NH3) = 0.200 molL-1 /2 = 0.100 molL-1 pH = pKa 第22頁，共42頁。第二節(jié) 緩沖溶液pH的計算例 檸檬酸 (縮寫H3Cit)及其鹽是一種供細菌培養(yǎng)的常用緩沖體系，用0.100molL-1 NaH2Cit溶液與0.050 molL-1 NaOH溶液等體積混合，求此緩沖溶液的pH。解 H3Ci

9、t的pKa1=3.13、pKa2=4.76、pKa3=6.40。過量H2Cit-與OH-反應： H2Cit-(aq) + OH-(aq) HCit2-(aq) + H2O(l) 剩余的H2Cit-與生成的HCit2-組成緩沖系c(H2Cit-) = (0.100 - 0.050) molL-1 / 2 = 0.025 molL-1c(HCit2-) = 0.050 molL-1 / 2 = 0.025 molL-1 第23頁，共42頁。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是有一定限度的。當加入過量的強酸或強堿，緩沖溶液的pH將發(fā)生較大變化，失去緩沖能力。用緩沖容量作為衡量

10、緩沖能力大小的尺度。定義為愈大，說明緩沖溶液的緩沖能力愈強。第24頁，共42頁。第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍二、影響緩沖容量的因素 緩沖容量與緩沖溶液的總濃度c總(c總=HB+B-) 及B-、HB的關系第25頁，共42頁。第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍結(jié)論：緩沖容量與總濃度和緩沖比有關?？倽舛鹊挠绊懀?當緩沖比一定時，c總愈大，緩沖容量愈大。通常c總在0.050.2 molL-1之間。 緩沖比的影響：當總濃度一定時，緩沖比愈接近1，緩沖容量愈大。緩沖比等于1時，緩沖容量有最大值 第26頁，共42頁。第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍三、緩沖范圍pH=pKa1變化范圍稱為有效緩沖范圍。第27頁，共42頁。第三

11、節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍緩沖容量與pH的關系（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28頁，共42頁。第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍例 將0.20molL-1HB溶液和0.20molL-1 B-溶液 以9:1的體積比混合，計算緩沖系的緩沖容量。解：用相同濃度的共軛堿和共軛酸配制緩沖溶液時，其體積比等于緩沖比，取a V體積HB溶液與b V體積B-溶液混合,則B- / HB = b / a， c總 = HB +

12、B- = 0.20 molL-1，當a : b = 9 : 1時， 第29頁，共42頁。第四節(jié) 緩沖溶液的配制一、緩沖溶液的配制方法（一）配制原則和步驟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）緩沖系的物質(zhì)必須對主反應無干擾。2所配緩沖溶液的總濃度要適當 一般總濃度0.05molL-10.2molL-1。3計算所需緩沖系的量 根據(jù)Henderson-Hasselbalch方程計算。4校正 需在pH計監(jiān)控下，對所配緩沖溶液的pH校正。第30頁，共42頁。第四節(jié) 緩沖溶液的配制（二）常用配制方法1. 為操作方便，常用相同濃度的共軛酸堿配制緩沖溶液。2. 可采用過量

13、弱酸（堿）與強堿（酸）反應組成緩沖系，如： HAc (aq, 過量) + NaOH(aq) NaAc(aq) + H2O(l) 優(yōu)點： HCl 和 NaOH 溶液為常備試劑，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計監(jiān)控下調(diào)整，滴加強堿/酸易于操作。第31頁，共42頁。第四節(jié) 緩沖溶液的配制例 如何配制pH=4.50的緩沖溶液1000mL?解 (1) 選擇緩沖系 由于HAc的pKa= 4.756，接近所配緩沖溶液 pH=4.50，所以可選用HAc-Ac-緩沖系。 (2)確定總濃度，計算所需緩沖系的量 一般要求具備中等緩沖能力即可，并考慮計算 方便，選用0.1

14、0molL-1的HAc和0.10molL-1 NaAc溶液。應用式(4.5)可得第32頁，共42頁。第四節(jié) 緩沖溶液的配制設 V(NaAc) = x mL則 ： V(Ac-) = x mL = 355mLV(HAc)= 1000mL - 355mL= 645mL第33頁，共42頁。第四節(jié) 緩沖溶液的配制 例 pH接近于7.0的磷酸鹽緩沖溶液常用來培養(yǎng)酶?，F(xiàn)采用H3PO4與NaOH溶液混合配制pH = 6.90的緩沖溶液，在450 mL0.10 molL-1的H3PO4溶液中，應加入多少mL0.10 molL-1 NaOH溶液？已知H3PO4的pKa1 = 2.16、pKa2 = 7.21、pK

15、a3 = 12.32 (忽略溶液體積加合引起的體積變化)。 解 根據(jù)配制原則，應選 緩沖系， 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應分兩步進行： (1) H3PO4 (aq) + NaOH(aq) = NaH2PO4(aq) + H2O(l) (2) NaH2PO4 (aq) + NaOH(aq) = Na2HPO4 (aq) + H2O(l)第34頁，共42頁。第四節(jié) 緩沖溶液的配制(1) H3PO4 (aq) + NaOH(aq) = NaH2PO4(aq) + H2O(l) 將H3PO4完全中和生成NaH2PO4，需0.10 molL-1NaOH 450 mL，并生成NaH2PO4 450 mL 0.10 mol

16、 L-1 = 45 mmol (2) NaH2PO4 (aq) + NaOH(aq) = Na2HPO4 (aq) + H2O(l) 設中和部分NaH2PO4需NaOH溶液的體積V(NaOH) = x mL，則生成Na2HPO40.10 x mmol，剩余NaH2PO4 (45 - 0.10 x) mmol， 解得 x = 148 共需NaOH溶液的體積為： 450 mL + 148 mL = 598 mL第35頁，共42頁。第四節(jié) 緩沖溶液的配制二、標準緩沖溶液標準緩沖溶液性質(zhì)穩(wěn)定，有一定的緩沖容量和抗稀釋能力，用來校準pH計。第36頁，共42頁。第五節(jié) 血液中的緩沖系一、血液中存在的緩沖系

17、 血漿中：H2CO3 -HCO3- 、H2PO4-HPO42- 、HnP-Hn-1P- 紅細胞中： H2b-Hb-(血紅蛋白)、H2bO2-HbO2-(氧合血紅蛋白)H2CO3-HCO3-、H2PO4-HPO42- 因為血液中存在多種緩沖系，以及在腎、肺共同 協(xié)調(diào)作用下，所以其pH保持在7.357.45之間 。 第37頁，共42頁。第五節(jié) 血液中的緩沖系 上述緩沖系中，碳酸緩沖系的濃度最高，在維持血液pH的正常范圍中發(fā)揮的作用最重要。 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成平衡：第38頁，共42頁。抗酸成分抗堿成分CO2 + H2OB-共軛酸共軛堿H2CO3 H+ + HCO3-H+第五節(jié) 血液中的緩沖系第39頁，共42頁。第五節(jié) 血液中的緩沖系 當體內(nèi)酸性物質(zhì)增加, HCO3-與H3O+結(jié)合，平衡左移；體內(nèi)堿性物質(zhì)增加時，H3O+結(jié)合OH-，H2CO3(CO2溶解) 解離，平衡右移，pH明顯改變。HCO3-在一定程度上可以代表血漿對體內(nèi)所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)的緩沖能力，所以常將血漿中的HCO3-稱為堿儲。若血液的pH小于7.35，則會發(fā)