第7章缓冲溶液.ppt

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1、1,第7章 缓冲溶液buffer solution,2,学习要求,掌握缓冲溶液的概念、组成和缓冲机理。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和方法。了解医学上常用缓冲溶液配方和标准缓冲溶液。熟悉血液中的主要缓冲系及在稳定血液pH过程中的作用。,3,缓冲溶液的作用人体内生物化学反应与 酶有关 酶的活性与pH有关如胃蛋白酶具有活性的pH范围：1.5 2.0 当胃液pH4.0，胃蛋白酶失活血液的pH值在7.35 7.45 酸中毒(糖尿病酮症酸中毒)与碱中毒维持体液的pH值恒定非

2、常重要,4,?,?,5,第一节 缓冲溶液及其缓冲作用,一、缓冲溶液的缓冲作用1.缓冲溶液,把当加入少量的强酸、强碱或稍加稀释，而能保持其pH值基本不变的溶液，称为缓冲溶液。2.缓冲作用 缓冲溶液对少量的强酸、强碱或稍加稀释的抵抗作用,称为缓冲作用。,6,3.缓冲溶液的组成,缓冲溶液:由共轭酸碱对构成的溶液。(1)弱酸及其盐型:HAc-NaAc(2)弱碱及其盐型:NH3-NH4Cl(3)酸式盐与其次级盐型:NaH2PO4-Na2HPO4,7,表1 常见的缓冲系,缓冲系 弱酸 共轭碱 pKa（25）HAc-NaAc HAc Ac-4.75H2CO3-NaHCO3 H2CO3 HCO3-6.37H3

3、PO4-NaH2PO4 H3PO4 H2PO4 2.12NaH2PO4-Na2HPO4 H2PO4 HPO42-7.21H3BO3-NaH2BO3 H3BO3 H2BO3 9.14H2C8H4O4 H2C8H4O4 HC8H4O4-2.92-KHC8H4O4NH4Cl-NH3 NH4+NH3 9.25Na2HPO4-Na3PO4 HPO42-PO43-12.67,8,二、缓冲溶液的缓冲作用机制,强酸和强碱溶液的缓冲作用机制:含有高浓度的H+或OH-;弱酸与其共轭碱溶液的缓冲作用机制:转化与补偿机制。以HAc NaAc为例:,9,Ac-抗酸成分,HAc抗碱成分,H+基本不增大，pH值基本保持不变

4、；,H+基本不减小，pH值基本保持不变。,10,在缓冲体系中：,加水稀释：比值基本不变，pH值基本保持不变。,H+基本不增大，pH值基本保持不变；,H+基本不减小，pH值基本保持不变。,实质：是共轭酸碱对之间质子转移平衡发生移动 的过程。,11,练习，判断下列说法：20ml 0.025 molL-1 HAc和10ml 0.025 molL-1NaOH的混合液是否具有缓冲作用；酸性缓冲溶液（H3PO4NaH2PO4）（pH=2.12）对外来酸有抵抗作用，对外来碱是否具有抵抗作用。下列溶液是具有缓冲作用(1)1 L水中加入0.01 molL-1HAc和0.01 molL-1 NaAc各一滴。(2)

5、含0.1 molL-1 NaOH和0.1 molL-1NaCl溶液。(3)含0.02 molL-1 HCl和0.02 molL-1NH3等体积混合。,12,第二节 缓冲溶液pH值计算,一、缓冲溶液pH值的计算公式以HB-B-为例：,HB+H2O H3O+B,Henderson-Hasselbalch方程式,13,缓冲溶液的缓冲比；,B+HB 缓冲溶液的总浓度,由于B的同离子效应，HB的解离很少，故可用浓度代替平衡浓度，即,14,pH=pKa+lg,nB/VnHB/V,共轭酸碱共处于一个溶液中，体积相同，故浓度之比即为摩尔数之比,pH=pKa+lg,nBnHB,由以上各式可知：（1）缓冲溶液的p

6、H值首先取决于弱酸的酸常数Ka。(pH值与温度有关。)（2）缓冲系一定时，Ka一定，则pH随缓冲比的变化而变化。（3）缓冲溶液加少量水稀释时，缓冲比不变，故pH不变。,15,例1 0.080 molL-1HAc和0.20 molL-1NaAc等体积混合成1L缓冲溶液 求此溶液的pH值？分别计算加入0.010 mol HCl、0.010 mol NaOH后，缓冲溶液pH值的改变值(体积视为不变)。,解：,加入HCl，缓冲溶液pH值的改变值,16,加入NaOH，1L溶液中其浓度为0.010molL-1,问题:如果把同样多的HCl或NaOH加入同样量纯水 中，pH会改变多少？,17,二、缓冲溶液pH

7、值的计算公式的校正,前面用浓度计算出的缓冲溶液pH只是近似值.以下用活度计算缓冲溶液pH准确值:,pH=pKa+lg,aBaHB,=pKa+lg,BBHBHB,=pKa+lg+lg,B HB,BHB,=近似值+校正因数,18,19,例2：已知25时，H2CO3的pKa=6.38，现将CO2加压后达到饱和的H2CO3溶液(0.30molL-1)，与0.10 molL-1 NaOH各10mL混合配成缓冲溶液（假定混合后溶液体积为20mL），试计算其pH值:（1）不考虑活度因子的影响；（2）考虑活度因子的影响。,解 缓冲对H2CO3-HCO3-V(总)=20mL,(1)不考虑活度因子的影响,20,(

8、2)考虑活度因子的影响 H2CO3是弱电解质，NaHCO3是强电解质，因此离子强度,根据表3，当z=0，I=0.050 时，,21,第三节 缓冲容量（buffer capacity）一、缓冲容量 1.缓冲容量的概念 缓冲溶液的缓冲容量是有限的:当其抗酸成分或抗碱成分被消耗到一定程度时，便失去缓冲功效。van Slyke提出 2.定义 使单位体积的缓冲溶液的pH值改变1个单位时，所需外加一元强酸或一元强碱的物质的量。,加碱=,nBV pH,加酸=-,nAV pH,22,例3 0.080 molL-1HAc和0.20 molL-1NaAc等体积混合成1L缓冲溶液(1)求此溶液的pH值。(2)分别计

9、算加入0.010 mol HCl、0.010 mol NaOH后，该缓冲溶液的缓冲容量。,(2)在1L溶液中加入0.010mol HCl，则：nA=0.010（mol）pH=5.00 5.14=-0.14,在1L缓冲溶液加0.010mol NaOH，则 nB=0.010（mol）pH=5.305.14=0.16,23,二、影响缓冲容量的因素,由=,nV pH,计算得出的为某pH变化范围内的平均值,而某一pH时的瞬时值为,=,dnV d pH,由此可见，是随pH的变化而变化的.,24,（1）缓冲溶液总浓度的影响,缓冲比一定，总浓度对缓冲容量的影响,结论：当缓冲比一定时，c缓总越大，越大，缓 冲能

10、力越大。一般c总在0.050.2 molL-1范围内最好。c缓总太小，太小；c缓总过大，离子强度大；,25,缓冲容量与缓冲比的关系,缓冲溶液总浓度一定，缓冲比等于1时,缓冲比等于1时，缓冲容量最大,2.缓冲比对缓冲容量的影响,26,结论 1.强酸、强碱缓冲能力强，单向变化。2.缓冲系不同，pKa不同，缓冲范围不同。3.缓冲比一定时，总浓度越大，其max越大；缓冲比一定时，总浓度相同，max相同。,HCl NaOH 0.1molL-1HAc+NaOH 0.2molL-1HAc+NaOH 0.05molL-1KH2PO4+NaOH 0.05molL-1H3BO3+NaOH,27,4.总浓度一定时，

11、当B/HB=1时，缓冲容量值最大：max=0.576c总5.缓冲比越偏离1时，缓冲容量越小。当B/HB 10，或1/10，失去缓冲作用；当1/10 B/HB 10，具有缓冲作用。缓冲范围：pH=pKa 1,28,29,一、缓冲溶液的粗略配制方法 1.选择适当的缓冲系：（1）使所选缓冲系的缓冲范围包括所配缓冲溶液的pH值；（2）弱酸的pKa值尽量接近pH值，以使缓冲容量接近极大值。2.配制的缓冲溶液要有适当的总浓度。一般以0.050.20 mol L-1为宜。,第四节 缓冲溶液的配制,30,3.选定缓冲系及总浓度后，根据Henderson公式计算所需弱酸及其共轭碱的量。,31,一般配c（B-）=

12、c（HB），则,而V总=VB+VHB，,pH=pKa+lg,VBVHB,pH=pKa+lg,VBV-VB-,4.将求得的VB和VHB相混合。,32,例4 如何配制100mLpH约为5.00的缓冲溶液？,解 HAc 的pKa=4.75,与5.00最为接近，故选HAc-NaAc缓冲系.然后配制浓度在0.050.20 mol L-1范围内(如0.10 mol L-1)相同浓度的HAc和NaAc溶液。,pH=pKa+lg,VBV-VB-,5.00=4.75+lg,VAc100-VAc-,VNaAc=64mL,VHAc=36mL.,故将64mL浓度在0.050.20 mol L-1的NaAc溶液和36m

13、L相同浓度的HAc溶液混合均匀，即得所需缓冲溶液.,33,二、缓冲溶液的准确配制方法 1.应用配方进行配制 文献资料，准确方便 表4 H2PO4 和 HPO42-组成的缓冲溶液（25）,34,2.用pH计校准,将所配的粗略pH值缓冲溶液在pH计监控下用稀的强酸或强碱调至准确的pH值。应用pH计时，必须用标准缓冲溶液校准。,35,练习,1.下列各溶液有无缓冲性?(1)20mL0.1 mol L-1 HAc+20mL0.1 mol L-1 NaOH;(2)20mL0.1 mol L-1 HAc+1mL0.1 mol L-1 NaOH;(3)20mL0.1 mol L-1 HAc+10mL0.1 m

14、ol L-1 NaOH.2.用0.025 mol L-1 H3PO4溶液和0.025 mol L-1 NaOH溶液配制pH值为7.40的缓冲溶液100mL,计算所需H3PO4和NaOH溶液各为多少mL?解 首先应选择合适的缓冲系。H3PO4的pKa1=2.12,pKa2=7.21,pKa3=12.36,其pKa2与所配缓冲溶液的pH值最为接近，故缓冲系应为H2PO4-HPO42-,36,缓冲系为H2PO4-HPO42-,需加NaOH包括两部分:一部分NaOH将H3PO4全部转化成了H2PO4-;另一部分NaOH将一部分H2PO4-再转化成了HPO42-。设需加H3PO4 x mL,NaOH y

15、 mL,则 n(HPO42-)=0.025(y-x)mmol n(H2PO4-)=0.025 x-0.025(y-x)=0.050 x-0.025 y mmol,pH=pKa2+lg,n(HPO42-)n(H2PO4-),7.40=7.21+lg,0.025(y-x)0.050 x-0.025 y,37,=1.55 y=1.61 x,y-x 2 x-y,需配100mL缓冲溶液,故 y+x=100,x=38 mLy=62 mL,故需H3PO4 和 NaOH溶液分别为38 mL 和62mL.,38,一、缓冲溶液及其缓冲作用把当加入少量的强酸、强碱或稍加稀释，而能保持其pH值基本不变的溶液，称为缓冲

16、溶液。对少量的强酸、强碱或稍加稀释的抵抗作用,称为缓冲作用。缓冲溶液组成:由共轭酸碱对构成 B-HB缓冲实质：是共轭酸碱对之间质子转移平衡发生移动的过程。二、缓冲溶液pH值的计算公式,三、缓冲容量 1.缓冲系不同，pKa不同，缓冲范围不同。缓冲范围：pH=pKa 1 2.缓冲比一定时，总浓度越大，其max越大；缓冲比一定时，总浓度相同，max相同。3.总浓度一定时，当B/HB=1时，max最大；,39,根据pH值计算公式,求出缓冲比及其共轭酸、碱的量;,选用等浓度的共轭酸碱对配制缓冲溶液;,选择适当的缓冲系.选择所配缓冲液的pH值尽量接近弱酸(弱碱)的pKa(pKb)，以使接近极大值,四、缓冲溶液的配制,选择适当的总浓度0.050.2 mol L-1,注意离子强度的影响,注意校正;,