《醫(yī)用基礎(chǔ)化學》課件-第三章 緩沖溶液

第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制

一、緩沖溶液的組成

在100mLpH=5.00的HC1溶液中分別加入ImLlmolf1的HC1(強酸)

溶液或ImLlmolL-1的NaOH(強堿)溶液后，HC1溶液的pH發(fā)生了顯著變化，

加酸后pH=2.00,而加堿后pH=12.00。但在100mL濃度均為Imol-L-1HAc和

NaAcpH=5.00混合溶液中，加入同樣數(shù)量的強酸和強堿，pH改變卻很小，加

酸后pH=4.98,而加堿后pH=5.02。如用水稍加稀釋時，HAc和NaAc混合溶

液的pH改變的幅度也很小。這說明HAc和NaAc這種由弱酸及其共輾堿組成的

混合溶液有抵抗外來少量強酸、強堿或稍加稀釋而保持pH基本不變的能力，我

們把這種溶液稱為緩沖溶液(buffersolution)。緩沖溶液對強酸、強堿或稀釋的抵

抗作用稱為緩沖作用(bufferaction)o

常用的緩沖溶液是由足夠濃度的共軟酸堿對的兩種物質(zhì)組成的。例如：HAc

一NaAc、NH3-NH4CI、NaH2PCU-Na2HpO4等。

組成緩沖溶液的共舸酸堿對被稱為緩沖系(buffersystem)或緩沖對(buffer

pair)o一些常見的緩沖系列在表3-1中。

表3-1常見的緩沖系

緩沖系質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡pKa(25℃)

HAc-NaAcHAc+H2O-——Ac+H3O+4.76

H2cCh-NaHCChH2CO3+H2O------HCO3+H3O0.35

+

H2c8H4O4-KHC8H4O4*H2c8H4O4+H2O一——HC8H4。4+H3O2.89

+

TrisHCl-Tris**TrisH+H2O——-------Tris+H3O+8.08

+

NH4CI-NH3NH4+H2O---——-NH3+HQ9.25

CHaNH/Cl-

CHaNH/+HQ———CHaNH，+HQ+10.63

CH3NH2***

H3Po4-NaH2Po4H3P。4+H2O一—H2PO4+H3O*2.16

2

NaH2Po4-Na2HpO4H2PO4+HO一——HPO4+H3O+7.21

2

2——PO3+H3O*12.32

NazHPCU-Na3Po4HPO4'+H2O——4

*鄰苯二甲酸-鄰苯二甲酸氫鉀

**三(羥甲基)甲胺鹽酸鹽-三(羥甲基)甲胺

***甲胺鹽-甲胺

二、緩沖機制

現(xiàn)以濃度均為0.10molL」的HAc和NaAc緩沖系為例來說明緩沖溶液的緩

沖機制。

NaAc是強電解質(zhì)，在溶液中幾乎完全以Na+和Ac-離子狀態(tài)存在；HAc是

弱電解質(zhì)，在溶液中只部分解離，并且因來自NaAc的Ac-的同離子效應(yīng)，使

HAc幾乎完全以分子狀態(tài)存在于溶液中。所以在HAc-NaAc緩沖溶液存在有大

量的HAc和Ac、且二者是共軻酸堿對。它們之間的質(zhì)子傳遞平衡關(guān)系可用下式

表示

如終結(jié)合，

Ac「濃度略有減少，HAc濃度略有增加，溶液中的H30+濃度沒有明顯升高?？?/p>

見，緩沖系中的共攏堿直接發(fā)揮抵抗外來強酸的作用，故稱為緩沖溶液的抗酸成

分。

當溶液中加入少量強堿時，/0+與0H反應(yīng)，溶液中的H30+濃度減少，HAc

的質(zhì)子傳遞平衡右移，HAc進一步解離，產(chǎn)生H30+。結(jié)果只是HAc濃度略有減

少，Ac濃度略有增加，溶液中的％0+濃度沒有明顯減少。緩沖系中的共較酸

間接發(fā)揮了抵抗外來強堿的作用，故稱為緩沖溶液的抗堿成分。

當溶液稀釋時，共鮑酸、堿的濃度同等稀釋，但二者濃度之比沒有變化，

所以緩沖溶液的pH基本保持不變。

第二節(jié)緩沖溶液的pH

一、緩沖溶液pH的計算公式

以HB代表弱酸，NaB代表其弱酸鹽，兩者組成緩沖溶液。溶液中HB和H20

建立質(zhì)子傳遞平衡

HB+H20---------H3O++B

NaB—?Na++B

有

[H30+]=KaX幽

[B-]

等式兩邊各取負對數(shù)，則得

pH=p^lgm=p^lgm(3-1)

此式就是計算緩沖溶液pH的亨德森-哈塞爾巴赫(Henderson-Hasselbalch)方程

式。式中pKa為弱酸的酸常數(shù)的負對數(shù)，［HB］和［B］均為平衡濃度。1］與舊8］

的比值稱為緩沖比，［B］與田8］之和稱為緩沖溶液的總濃度。

亨德森-哈塞爾巴赫方程式也可表示為

pH=pKa+］g^=pKa+lg疆(3-2)

這里c(HB)表示HB的總濃度(包括解離的、未解離的HB的濃度)，c(NaB)

表示NaB的總濃度。設(shè)HB已解離部分的濃度為c，(HB),則HB和B的平衡濃

度分別為

［HB］=c(HB)-c'(HB)

［B］=c(NaB)+c,(HB)

因來自NaB的B-同離子效應(yīng)，使解離的HB很少，d(HB)可以忽略，故［HB］和

［B］可分別用總濃度c(HB)和c(B-)來表示，所以式(3-1)可表示為(3-2)。

中”、?(B)八”(HB)

因。(B)=----,c(HB)=------,

VV

“(HB)和〃田一)是在同一緩沖溶液中所含共輾酸、堿的物質(zhì)的量，所以V是

同一體積，式(3-2)就可改寫為

pH=pKa+1g〃:=pKa+1g黑屏(3-3)

n(HB)/Vn(HB)

此式是式亨德森-哈塞爾巴赫方程式的又一種表示形式。此式在使用不同濃度、

不同體積的共枕酸、堿來配制緩沖溶液時，方便快捷。

如使用相同濃度的弱酸及其共瓶堿來配制緩沖溶液，即c(HB)=c(NaB),分

別量取NaB的體積V(B-)和HB的體積V(HB),混合，則式(3-3)可改寫為

c(B-)W(B-)V(B-)

pH=p/fa+lg—~~~-=p/fa+lg—~-(3-4)

由上面各式可知：

(1)緩沖溶液的pH首先取決于緩沖系中弱酸的酸常數(shù)Ka值，而Ka值又與

溫度有關(guān)，所以溫度對緩沖溶液pH也是有影響的，但本書對溫度的影響不作深

入討論。

(2)同一緩沖系的緩沖溶液，pKa一定，其pH隨著緩沖比的改變而改變。當

緩沖比等于1時，緩沖溶液的pH等于pKa。

(3)緩沖溶液加水稀釋時，"(B)與〃(HB)的比值不變，則由式(3-3)計算的pH

也不變。所以緩沖溶液具有抗稀釋的能力。但大量稀釋時，會引起溶液離子強度

的改變，使HB和B的活度因子受到不同程度的影響，緩沖溶液的pH將會隨之

有極小的變化。

【例3-1】緩沖溶液的pH計算

(1)計算0.200mol?L'NH3和0.0800mol?L"NH4cl等體積混合而制成的1.00L緩

+

沖溶液的pH。pXa(NH4)=9.25o(認為兩溶液混合后體積為1.00L)

(2)若在上述緩沖溶液中加入0.0100mol的HC1后，此緩沖溶液的pH為多少？

(3)若在上述緩沖溶液中加入0.0100mol的固體NaOH后，此緩沖溶液的pH為多少？

+

【分析1】此混合溶液的緩沖系為NH4-NH3,此例題是非常典型的緩沖溶液pH計

1

算。兩溶液等體積混合,濃度減半。所以c(NH3)=0.100mol?L-',c(NHj)=0.0400mol?L

可將相關(guān)數(shù)據(jù)代入亨德森-哈塞爾巴赫方程式(3-2)。

【解(1)】pH=pKa(NFL?+)+lg=9.25+1g'，一=925+0.40=9.65

c(NH：)0.0400molL-1

【分析2】加入HCL外加的H++NH3=NH4+,加入的HC1的量等于NH4+增加的量，

也等于NH3減少的量。所以

c(NHj)=(0.100-0.0100)mol,L_1=0.090mol,L1,

C(NH4+)=(0.0400+0.0100)mol-=0.0500mol?L1,代入方程。

…,+c(NHJ0.090molL-1

[解(2)]pH=p&(NHj)+lg—~=9.25+lg----------------------=9.25+0.26=9.51

c(NH：)0.0500mol-L-1

【分析3】加入固體NaOH的量等于NH3增加的量，也等于NH4+減少的量。所以

1

C(NH3)=(0.100+0.0100)mol?L」=0.110mol?L,

+11

C(NH4)=(0.0400-0.0100)mol?L=0.0300mol?L,代入方程。

-1

+,c(NH,)0.110molL

【解(3)】pH=p/Ca(NH4)+lg—~叱=9.25+lg----------------------=9.25+0.56=9.81

c(NH：)0.0300molL-1

【歸納】1、利用亨德森-哈塞爾巴赫方程式計算緩沖溶液的pH時，一定注意Ka是共

輒酸堿對中的共輾酸的酸常數(shù)，并且有pKa=-IgKa。

2、在緩沖溶液中加入HC1的量等于共較酸增加的量，也等于共蒯堿減少的量。加入固

體NaOH的量等于共軌堿增加的量，也等于共舸酸減少的量。

二、緩沖溶液pH的校正

用亨德森-哈塞爾巴赫方程式計算緩沖溶液的pH只是近似值，與實際測定值不一樣。

若要準確的計算，就應(yīng)該在式(3-1)中引入活度因子，即以HB和B-的活度替代它們的平衡濃

度，則式(3-1)可改寫為

pH=pKa+lg

a(HB)

[B-]-r(B-)

=pKa+lg

[HB]/(HB)

=P&'Mg器+旭瑞

(3-5)

此式是校正的緩沖溶液pH計算公式。式中y(HB)和/(B)分別為溶液中HB和B?的活

度因子，1g始」為校正因數(shù)。由于活度因子與弱酸的電荷數(shù)和溶液的離子強度⑺有關(guān)，所

r(HB)

以校正因數(shù)也與弱酸的電荷數(shù)和溶液的離子強度有關(guān)。離子強度可根據(jù)緩沖溶液中各離子的

濃度進行計算。

但是實際應(yīng)用中通常并不是通過(3-5)式計算來確定溶液的pH的，因為在體液或體外培

養(yǎng)液中成分相當復(fù)雜，影響因素也多，很難從現(xiàn)有數(shù)據(jù)(《化學手冊》等工具書中查找出有

關(guān)數(shù)據(jù))計算出準確結(jié)果。一般情況下是使用測定溶液pH的專門儀器例如pH計，將電極

插入溶液中，先用已知pH的標準緩沖溶液對儀器進行校準之后再測定所配制溶液的pH,

然后通過滴加少量強酸(或強堿)調(diào)節(jié)該溶液的pH,使其符合科研要求的pH。

第三節(jié)緩沖容量和緩沖范圍

一、緩沖容量

不同的緩沖溶液，其抗酸抗堿的能力不同。1922年范斯萊克(VSlyke)提出

用緩沖容量(buffercapacity”作為衡量緩沖能力大小的尺度。緩沖容量4定義為:

單位體積緩沖溶液的pH改變1(即ApH=l)時，所需加入一元強酸或一元強堿

的物質(zhì)的量。定義為

BJgLd&(b)

(3-6)-V|dpH|

式中V是緩沖溶液的體積；d〃a(b)是緩沖溶液中加入微小量的一元強酸(d〃a)或一

元強堿(d〃b)的物質(zhì)的量；IdpHI為緩沖溶液pH的微小改變量。由式(3-6)可知，J3

是正值。在同樣的d〃a(b)和V的條件下，pH改變值IdpHI愈小，則￡值愈大，緩沖

溶液的緩沖能力愈強；或在同樣的V及|dpH|情況下，所加入的d〃a(b)越多，緩沖

溶液的緩沖能力愈強。

從式(3-6)可導(dǎo)出緩沖容量與緩沖溶液的總濃度｛c慫=[HB]+[B]｝及[B卜[HB]

的關(guān)系

a(b)

/3=.,=2.303X[HB][B]/c.a(3-7)

V|dpH|

此式表明，緩沖容量隨c總及[B]、[HB]的改變而改變。由于[B]及[HB]

決定緩沖比，而緩沖比影響緩沖溶液的pH,所以緩沖容量隨緩沖溶液pH的變

化而變化。

【例3-2]緩沖容量的計算

今有總濃度為0.10mol^L-l的NaH2P04-Na2HP04緩沖溶液,pKa(H2Po/)=7.21,試

求其pH為7.40時的緩沖容量

【分析】可將已知數(shù)據(jù)直接代入亨德森-哈塞爾巴赫方程式，求出緩沖比，繼而求出共

加酸堿的濃度，最后根據(jù)式(3-7)可算出緩沖容量“

【解】pH=pKa(H2PO[)+lg黯需

[NaH2PO4]

1Na2Hpe)門

7.40=7.21+lg

[NaH2PO4]

[Na2HpeR75

[NaH2Po4]■'

已知[NaH2PC)4|+fNa2HPO4|=0.10mol?L1,故得

11

[NaH2Po4]=0.040mol?L；[Na2HP04]=0.06mol?L;

代入式(3-7),得夕=2.303X0.040X0.06/0.10=0.055

從式(3-7)分析，運用c慫=[HB]+[B]關(guān)系，公式可以寫做

4=2.303X[HB][B]/e總=2.303X{[HB]/ca}{[B]/c息}Xc總

=2.303X([HB]/c總)(1-[HB]/c總)Xc總

當總｝增大，｛l-[HB]/c總｝減小,反之，當｛[HB]/c總｝減小，｛l-[HB]/c總｝

增大。當[HB]=[B]=c&/2時，｛[HB]丑總｝｛1-[HB]/c總)取得最大值。將[HB]=[B]

=c/2代入式(3-7),得最大緩沖容量計算公式

B極大=2.303X(c總/2)(c總/2)/c,a=0.576c息(3-8)

緩沖溶液的總濃度和緩沖比是影響緩沖容量的兩個重要因素。

這種變化關(guān)系如圖3-2所示。圖中曲線(2)(3)(4)(5),都是在弱酸溶液中加入

NaOH后組成的弱酸及其共輾堿的緩沖溶液。從圖中可以看出

(一)總濃度對用的影響曲線

(2)和(3)相比，其緩沖系相同，(3)的濃度是(2)的兩倍，所以峰高也是(2)的

兩倍，即在緩沖比一定時，總濃度越大緩沖容量也越大。曲線(4)(5)的緩沖系雖

不同，但總濃度相同，所以它們的峰高，即用極大相同;

(二)緩沖

比對￡的影響fi

0.10

(2)~(5)曲線都

0.06

是山峰形曲線，在0.06

0.04

pH=pKa時，曲線

0.02

峰高有極值B極大，

此時緩沖比為l：lo

圖3-2緩沖容量的影響因素

無論是向左偏離

⑴0.05mol-L-1HC1(4)0.05mol-L-1KH2Po4+NaOH

11

1:1還是向右偏離⑵0.1mol?L-HAc+NaOH(5)0.05mol?L-H3BO3+NaOH

(3)0.2mol?L-1HAc+NaOH(6)0.05mol?L-1NaOH

1:1,萬都變小。

從曲線(1)和曲線(6)可明顯的看出，HC1溶液或NaOH溶液濃度越濃時其緩沖容量就越

大，沒有極值。當加入少量強酸、強堿，溶液的pH不會發(fā)生明顯的改變，所以它們也同樣

具有緩沖作用，(1)為強酸型緩沖溶液，(6)為強堿性緩沖溶液。它們不屬于前面我們所討論

的共軌酸堿組成的緩沖系，它們緩沖機制是因為本身H+(或OH)濃度較大。由于這類溶液的

酸或堿濃度太高，不利于在醫(yī)學上當作緩沖溶液使用。

二、緩沖范圍

由上面討論可知，當緩沖溶液的總濃度一定時，緩沖比愈接近1,緩沖容量

愈大；緩沖比愈遠離1時，緩沖容量愈小。當緩沖比大于10：1(即pH>pKa+1)

或小于1：10(即pH<pKa-l州寸，可認為緩沖溶液已基本失去緩沖能力，如圖3-2

曲線(2)、(3)、(4)、(5)的山峰很陡峭，因此，pH=pKa±l為緩沖作用的有效區(qū)間，

稱為緩沖溶液的緩沖范圍(buffereffectiverange)。不同緩沖系，因各自弱酸的pKa

不同，所以緩沖范圍也各不相同。

第四節(jié)緩沖溶液的配制

一、緩沖溶液的配制原則和步驟

在生物醫(yī)學的實際工作中，為使所配一定pH的緩沖溶液具有足夠的緩沖能

力，應(yīng)按下述原則和步驟進行：

1.選擇合適的緩沖系

選擇緩沖系要考慮兩個因素，一個是使所需配制的緩沖溶液的pH在所選緩

沖系的緩沖范圍(pKa±l)之內(nèi)，并盡量接近弱酸的pKa,這樣所配制的緩沖溶液

可有較大的緩沖容量。如配制pH為7.4的緩沖溶液，可選擇NaH2PO4-Na2HPO4-

緩沖系，因H3P。4的pKa2=7.21。另一個是所選緩沖系物質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定、無毒，不能

與溶液中的反應(yīng)物或生成物發(fā)生作用。例如硼酸一硼酸鹽緩沖系有毒，不能用于

培養(yǎng)細胞等生物醫(yī)學上的緩沖溶液。另外，在加溫滅菌和儲存期內(nèi)要穩(wěn)定。例如

H2cO3—NaHCO3緩沖系因碳酸容易分解通常也不采用。

2.配制的緩沖溶液的總濃度要適宜

總濃度太低，緩沖容量過??；總濃度太高，會導(dǎo)致離子強度太大或滲透濃度

過高而不適用，實際工作中，一般選用總濃度在0.05mol-L1~0.2mol?L1范

圍內(nèi)。

3.計算

根據(jù)亨德森-哈塞爾巴赫方程計算所需緩沖組分的量或體積。為配制方便，

常常使用相同濃度的弱酸及其共枕堿。有時在某弱酸中加入強堿或弱堿中加入強

酸。如分別量取體積為V(HB)的HB溶液和丫⑻)的NaB溶液相混合或稀釋調(diào)整，

即得所需pH近似值的緩沖溶液。

4.校正

如果對pH要求嚴格的實驗，還需在pH酸度計監(jiān)控下對所配緩沖溶液滴加

稀HC1或稀NaOH,對溶液pH加以校正。

【例3-3】緩沖溶液的配制

如何配制500mLpH為5.00的緩沖溶液?若要求溶液中HAc濃度為0.050mol.L1,需

要加入NaAc-3H2O的質(zhì)量是多少？現(xiàn)有6.0mol-L'HAc,計算需要多少體積？請你設(shè)計配制

此緩沖溶液的操作步驟，并計算此緩沖溶液的滲透濃度。若需300mmoil?的等滲溶液需要

加入多少質(zhì)量的NaCl(s)?已知25℃時pKa(HAc)=4.76。

【解】將已知數(shù)據(jù)代入亨德森-哈塞爾巴赫方程式

pH=pK,(HAc)+lg裾

c(AcD

5.00=4.76+1g

0.050molL-1

c(NaAc)=0.087molL-1

〃(NaAc)=0.087mol-L'XO.5L=0.044mol

m(NaAc-3H2O)=n(NaAc)-A/(NaAc-3H2O)=0.044molX136.1g-mol“=6.1g

需要6.0molL“HAc的體積:V(HAc)=0.050mol-L1X0.5L4-6.0mol-L1=4.1mL

緩沖溶液的滲透濃度:c°s=(0.087mol-L'X2+O.OSOmol-L^X1000=224mmol-L-1

若需要滲透濃度為300mmol-L-'的緩沖溶液則需要加NaCl:

00

m(NaCl)=(方-。2：4)mol.Lx05LX585g.mo|-i=L1]g

第五節(jié)血液中的緩沖系

我們?nèi)梭w內(nèi)的酸堿性物質(zhì)來源于食物、機體的代謝和消化液的吸收。如食物

和機體中的糖、脂肪、蛋白質(zhì)的消化和代謝中最終產(chǎn)物CO2是酸的主要來源之

一，另外代謝中也會產(chǎn)生乳酸、丙酮酸等酸性物質(zhì)。通常將糖、脂肪、蛋白質(zhì)稱

為酸性食物。蔬菜、水果在體內(nèi)代謝會產(chǎn)生堿性物質(zhì)。每時每刻機體都會產(chǎn)生不

同種類和不同濃度的酸性或堿性物質(zhì)，但是由于我們體內(nèi)存在著多種生理緩沖

系，維持著正常人血漿的pH約為7.35—7.45。血漿pH主要決定于血漿中的緩

沖對，即NaHCO3/H2co3的比值。血漿中尚有其它緩沖對，如蛋白質(zhì)鈉鹽/蛋白

質(zhì)、Na2HPO〃NaH2P。4,在紅細胞內(nèi)尚有血紅蛋白鉀鹽/血紅蛋白(Hzb-HbD、氧

合血紅蛋白鉀鹽/氧合血紅蛋白(H2bCh-HbCh-)、K2HPO4/KH2Po4、KHCO3/H2CO3

等緩沖對。一般酸堿物質(zhì)進入血液時，由于有這些緩沖系統(tǒng)的作用，對血漿pH

的影響已減至很小，特別是在肺和腎臟不斷排出體內(nèi)過多的酸或堿的情況下，通

常血漿pH的波動范圍極小。

在這些緩沖系中，以碳酸緩沖系在血液中濃度最高，緩沖能力最大，在維持

血液正常pH中發(fā)揮的作用最重要。碳酸在溶液中主要是以溶解狀態(tài)的CO2形式

存在，在CO2-HCCh-緩沖系中存在如下平衡

(1(H2CQ3),

co2(g)=82(g)+H2O-H2CO3.H++HCO3-

25。C時pKal(H2CO3)=6.35,CCh是溶解在離子強度為0.16mol-kg」的血漿

中，體溫為370C時，應(yīng)校正為pKaJ(H2CO3)=6.10,所以血漿中的碳酸緩沖系pH

的計算方程式為

/、[HC07][HC07]

pH=pK/(H2CO3)+lg而就廣6.10+lg同就(3-9)

正常人血漿中［HCO3］和［CO2(aq)］濃度分別為0.024mol-L1和0.0012mol-L

將其代入式(3-9),可得到血液的正常pH

__一1八,0.024molUw[八[20,

pH=6.10+1g-------------------=6.10+1g—=7.40

0.0012mol-L-r11

在體內(nèi)，HC03是血漿中含量最多的抗酸成分，在一定程度上可以代表血漿

對體內(nèi)所產(chǎn)生非揮發(fā)性酸的緩沖能力，所以將血漿中的HC03稱為堿儲。

人體內(nèi)正常血漿中HCO3-CO2(aq)緩沖系的緩沖比為20:1,已超出前面討論

的體外緩沖溶液有效緩沖比(即10:1?1:10)的范圍，似乎應(yīng)該是緩沖能力很小，

但是由于人體是一個“敞開系統(tǒng)”，既有物質(zhì)的交換又有能量的交換，當機體內(nèi)

C02(aq)或HC03的濃度改變時，可由肺呼吸作用和腎的生理功能獲得補償或調(diào)

節(jié)，使得血漿中的HC03和CCh(aq)的濃度保持相對穩(wěn)定。因此，血漿中的碳酸

緩沖系總能保持相當強的緩沖能力，特別是抗酸的能力。

CO2刺激呼吸是通過兩條途徑實現(xiàn)的：一是通過刺激中樞化學感受器再興奮呼吸中樞；

二是刺激外周化學感受器，沖動經(jīng)竇神經(jīng)和主動脈神經(jīng)傳入到延髓呼吸有關(guān)核團，反射性地

使呼吸加深、加快，增加肺通氣。

HC03一在血漿中是以鈉鹽(NaHCO3)的形式存在的，NaHCCh濾過囊腔并進入腎小管

之后可解離成Na+和HCO。腎小管各段細胞均可分泌H+。分泌H+可和Na+進行交換(靠

載體蛋白來實現(xiàn))，使Na+進入細胞并和細胞內(nèi)產(chǎn)生的HCO廠一起被轉(zhuǎn)運回血液。小管液中

的HCCh-是不易透過管腔膜的，它與分泌的H+結(jié)合而生成H2co3,H2cO3再分解為CO2和

H2O?而CO2是高度脂溶性物質(zhì)，能迅速通過管腔膜進入細胞，在碳酸酢酶的催化下生成

H2cCh。H2cO3進而解離成H+和HCO3-。H+可由細胞分泌到小管液中，HCO3-則與Na+一

起被轉(zhuǎn)運回血。因此，腎小管重吸收HCCh一是以CCh的形式。如果濾過的HC03-量超過了分

泌的H+,HCCh-就不能全部(以CO2形式)被重吸收。由于它不易透過管腔膜，所以余下

的便隨尿排出了。值得注意的是H+的分泌是與HC03一的重吸收密切相關(guān)的。

由圖3-3的示意為：血液中緩沖比保持一定數(shù)值不變，是由CO2濃度瞬時變化刺激腦

干呼吸中樞和外周化學感受器作出響應(yīng)，改變肺換氣率以恒定CCh在正常水平；而HCCh-

濃度的變化由腎排H.的變化和對濾過的HCOj重吸收來調(diào)節(jié)，從而維持正常血液pH穩(wěn)定。

圖3-3血液中碳酸緩沖系示意圖

中主要緩沖對的緩沖比[HCO3-]/[CO2（aq）]倘若超出18/1~22/1也就是超出了血漿pH

7.35-7.45的正常范圍，將導(dǎo)致酸中毒（acidosis）或堿中毒（baseosis）。酸堿性中毒又可分為：

代謝性酸中毒、呼吸性酸中毒、代謝性堿中毒、呼吸性堿中毒四種類型。代謝性酸中毒有可

能發(fā)生在體內(nèi)產(chǎn)生的酸（如酮體）過多、腎功能不全或嚴重腹瀉丟失大量NaHC03,使細胞

外液的HC03一濃度降低，|HCO3-]/[CO2（aq）]<18/l,血液pH下降超出7.35。呼吸性酸中毒通

常是肺部呼出障礙（換氣不足），如肺氣腫、呼吸道梗阻等，當C02潴留嚴重時會出現(xiàn)疲憊、

興奮或煩躁、甚至昏迷，稱為二氧化碳麻醉狀態(tài)。代謝性堿中毒有可能是大量胃液的丟失，

如大量的嘔吐、洗胃等，或堿性藥物大量進入胃中引起。呼吸性堿中毒有可能是肺部過度換

氣，呼出CO2過多使[HCOM/[CO2（aq）]>22/l,血液pH升高超出7.45。如腦炎、高燒等,癥

狀為頭暈?zāi)垦！？梢杂眉埧诖肿〔∪丝诒?，吸入自己呼出的高濃度C02氣體，緩解呼吸

性堿中毒。

在臨床檢驗中測定體內(nèi)血液C02和pH對判斷病人酸堿失調(diào)及其療效觀察

有著重要作用。

Summary

SolutionthatresistachangeinpHuponadditionofsmallamountsofastrongacidora

strongbasearecalledbufferedsolution.Therefore,buffersareusefulwhenitisdesiredto

maintainthepHofasolutionwithinnarrowlimits.Abufferconsistsoflargereservoirsofthe

componentsofaconjugateacid-basepair.

ThepHofabufferisdeterminedbytwofactors:thevalueofKafortheweak-acid

componentofthebuffer,andtheratiooftheconcentrationsoftheconjugateacid-basepair:

pH=pKa+lg思(3-1)

Equation(3-1)isknownastheHenderson-Hasselbalchequation.

Buffercapacityisdependsonamountofacidandbasefromwhichthebufferismade,and

theratiooftheconcentrationsoftheconjugateacid-basepair.Abufferwithalargecapacity

containslargeconcentrationsofthebufferingcomponents.WhenthepHofabufferequalsthe

pKaoftheacidcomponent,theratio=1,thebufferhasitshighestcapacity.Abufferhasan

effectiverangeofp/fa±1.

Whenpreparingabuffer,youshould(1)choosetheconjugatepair;(2)calculatetheratioof

buffercomponents;(3)determinethebufferconcentrationand(4)adjustthefinalbuffertothe

desiredpHbyaddingstrongacidorstrongbase,whilemonitoringthesolutionwithapHmeter.

HumanbloodisslightlybasicwithanormalpHof7.35-7.45.Whenthefallsbelow7.35,

theconditioniscalledacidosis;whenitrisesabove7.45,theconditioniscalledalkalosis.The

majorbuffersystemthatisusedtocontrolthepHofbloodisthecarbonicacid-bicarbonate

buffersystem..Carbonicacid,H2CO3,andbicarbonateion,HCO3-,areaconjugateacid-base

pair:ThepK'ivalueofH2co3equals6.10atphysiologicaltemperatures,theratio[base]/[acid]

musthaveavalueofabout20.InnormalbloodplasmatheconcentrationsofHCOa-andH2cO3

areabout0.024mol?L_,and0.0012mol?L_|,respectively.Theprincipalorgansthatregulatethe

pHofthecarbonicacid-bicarbonatebuffersystemarethelungsandkidneys.

思考題和練習題

1.什么是緩沖溶液?什么是緩沖容量?決定緩沖溶液pH和緩沖容量的主要因素各有哪

些？

2.試以KH2PCh-NazHPCU緩沖溶液為例，說明為何加少量的強酸或強堿時其溶液的pH

基本保持不變。

3.已知下列弱酸的pK”試求與NaOH配制的緩沖溶液的緩沖范圍.

(1)硼酸(H3BO3)的pKa=9.27

(2)丙酉爰(CH3cH2coOH)的pKa=4.86

⑶磷酸二氫鈉(NaH2Po4)的pKa(H2Po0=7.21

(4)甲酸(HCOOH)的pKa=3.75

11

4.0.20mol-L-NH3和0.10molL-NH4cl組成的緩沖溶液的pH為多少？pKb=4.75

5.計算下列NH3和NH4C1組成的不同pH的緩沖溶液的[NH3WNH4」緩沖比。

(1)pH=9.00(2)pH=8.80(3)pH=10.00⑷pH=9.60

1

6.一個由0.25mol-L-KHCO3與0.32mo卜L」K2co3組成的緩沖溶液,H2co3是二元酸：

=4.5x10-7；^=4.7x10"(25℃)o

⑴哪一個相對于這個緩沖溶液是更重要？

⑵這個緩沖溶液的pH為多少？

7,用0.055mol?「KH2PO4和0.055mol?L」Na2Hpe)4兩種溶液配成pH近似值為7.40

的緩沖溶液1000mL,問需取上述溶液體積各為多少？已知pKa(H2Po力=7.21(25℃),

8.阿司匹林(乙酰水楊酸、以Hasp表示)以游離酸(未解離的)形式從胃中吸收，若病

人服用解酸藥，調(diào)整胃容物的pH為2.95,然后口服阿司匹林0.65g。假設(shè)阿司匹林立即溶

解，且胃容物的pH不變，問病人可以從胃中立即吸收的阿司匹林為多少克(乙酰水楊酸的

g180.2、p&=3.50)?

9.配制pH=7.40的緩沖溶液1500mLo

(1)今有緩沖系HAc-NaAc、KH2PO4-Na2HPO4^NH4CI-NH3,問選用何種緩沖系最好？

(2)如選用的緩沖系的總濃度為0.200mol?!?,需要固體共粗酸和固體共粗堿物質(zhì)的量

為多少(假設(shè)不考慮體積的變化