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第四章缓冲溶液,第五节血液中的缓冲系,第一节缓冲溶液及缓冲作用原理,第二节缓冲溶液pH值的计算,第三节缓冲容量和缓冲范围,第四节缓冲溶液的配制,1,2,第一节缓冲溶液及缓冲作用原理,一、缓冲溶液的缓冲作用及组成1.举例,3,2定义：,把能够抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释而保持pH值基本不变的溶液称为缓冲溶液。把溶液能够抵抗外来少量强酸、强碱或稀释而保持pH值基本不变的作用称为缓冲作用。,4,3.缓冲溶液的组成,把组成缓冲溶液的共轭酸碱对称为缓冲对（系）。,经实验发现，不仅由NaH2PO4-Na2HPO4组成的溶液具有缓冲作用，而且由HAc-NaAc、NH4Cl-NH3、NaH2PO4-Na2HPO4等组成的溶液同样具有缓冲作用,抗酸成分共轭碱(足量)1组成抗碱成分共轭酸(足量),2缓冲对（系）：,5,典型缓冲溶液的三种类型,1弱酸及其共轭碱：如：HAcNaAc;H2CO3NaHCO3;C6H4(COOH)2C6H4(COOH)COOK,2弱碱及其共轭酸：如：NH3NH4Cl；CH3NH2CH3NH3+Cl-,3多元酸碱的共轭酸碱对：如：NaHCO3Na2CO3；NaH2PO4Na2HPO4,6,常见的缓冲对（系）如下表,7,二、缓冲作用原理,以HAcNaAc缓冲溶液为例说明：,（足量）HAc+H2OH3O+Ac-（足量）,主要由NaAc解离产生,（1）当加入少量强酸时，溶液中的Ac-就接受H3O质子，平衡向着生成HAc分子的方向移动，,Ac-是抗酸成分-共轭碱。,（2）当加入少量强碱时，溶液中的H3O与OH-结合生成水，平衡向着HAc分子的解离方向移动，,HAc是抗碱成分-共轭酸。,8,HAc(足量)H+Ac-,外加HCl(少量)H+,（1）.抗酸原理,(足量),平衡左移抗酸,Ac-是抗酸成分（anti-acidcomponent）,9,HAc(足量)H+Ac-,外加NaOH(少量)OH-,+,H2O,（2）.抗碱原理,(足量),平衡右移抗碱,HAc是抗碱成分（anti-basecomponent）,10,实质上是溶液中的共轭酸碱对，在外来少量强酸或强碱的加入后，通过自身的质子转移平衡的移动，来调节溶液的H3O离子浓度，使其不发生显著的变化，从而起到保持溶液pH值几乎不变的作用。,缓冲溶液的缓冲作用,11,第二节缓冲溶液的pH值,一、缓冲溶液pH值的计算公式,HB+H2OH3O+B-NaBNa+B-,(4-1),12,若缓冲溶液的总体积为V，共轭碱（B-）的物质的量为nB-，共轭酸（HB）的物质的量为nHB，则,上式称为亨德森-哈塞尔巴赫方程式,B-=c(NaB)+c(HB),HB=c(HB)-c(HB),13,缓冲公式又可表示为,(4-2),(4-1),14,问：如使用相同浓度的弱酸及其共轭碱来配制缓冲溶液，上式又可怎样表示？,缓冲比：缓冲公式中共轭碱与共轭酸浓度的比值。,C总=CHB+CB-,总浓度：,(4-3),15,二、影响pH值的因素,例题1、2、3,pKa：缓冲溶液的pH值主要取决于缓冲系中弱酸的Ka，Ka与温度有关。,缓冲比：同一缓冲系的缓冲溶液，pKa一定，其pH随着缓冲比的改变而改变。当缓冲比=1时，pH=pKa,缓冲溶液加水稀释时，缓冲比不变，pH不变，所以缓冲溶液具有抗稀释性。,16,【例题1】现有1L含0.020molHAc0.050molNaAc的缓冲溶液，试问：（1）该溶液的pH值是多少？（2）加入0.0050molHCl或0.0050molNaOH后，溶液的pH值是多少？（3）加入100ml水后，溶液的pH值是多少？（已知HAcpKa=4.75）,17,解：（1）缓冲溶液的pH值：由于1L溶液含0.020molHAc和0.050molNaAc，所以缓冲溶液中HAc和NaAc分别为HAc=0.020molL-1NaAc=0.050molL-1代入缓冲公式得,=4.75+0.40=5.15,18,加入HCl后，外加的H3O与溶液中的Ac-结合生成HAc，HAc的量增多，同时Ac-的量减少，所以HAc=（0.020+0.0050）/1.0=0.025（molL-1）NaAc=（0.050-0.0050）/1.0=0.045（molL-1）代入式得,（2）加入0.005molHCl后缓冲溶液的pH值：,缓冲溶液的pH值由原来的5.15降至5.01,19,加入NaOH后，溶液中Ac-的量增多，HAc的量减少，所以HAc=(0.020-0.0050)/1.0=0.015(molL-1)NaAc=(0.050+0.0050)/1.0=0.055(molL-1)代入式得,加入NaOH后缓冲溶液的pH值：,即缓冲溶液的pH值由原来的5.15升至5.31,20,由此得出：缓冲溶液具有抗酸性、抗碱性和抗稀释性.。,（3）加入100ml水后，溶液的pH值:,HAc=(molL-1),NaAc=(molL-1),代入缓冲公式得,21,【例题2】在0.10molL-1NaH2PO4溶液300ml中加入0.10molL-1NaOH溶液200ml和400ml，求混合溶液的pH值。,查表知H2PO4-的pKa2=7.20，,H2PO4-HPO42-,解：（1）在NaH2PO4溶液中加入200ml0.10molL-1NaOH溶液后有如下反应，,此混合溶液的缓冲系为：,过量,H2PO4-+OH-HPO42-+H2O,22,代入公式得,反应后,即此时混合溶液的pH值为7.50。,23,（2）在300mlNaH2PO4溶液中加入400ml0.10molL-1NaOH溶液后有如下反应,H2PO4-+OH-HPO42-+H2O,HPO42-+OH-PO43-+H2O,过量,此混合溶液的缓冲系为：,HPO42-PO43-,查表知HPO42-的pKa3=12.66，,最终,24,代入公式得,反应后：,此时混合溶液的pH值为12.36。,25,【例题3】在400ml0.10molL-1NH3H2O溶液中加入100ml0.10molL-1HCl溶液，求混合溶液的pH值。（已知NH3的pKb=4.75）,HCl+NH3H2ONH4Cl+H2O,解：混合后反应如下,反应后,氨水过量并有剩余,26,pKa=14.00-pKb=14.00-4.75=9.25,27,【例题4】欲配制pH值为6.90的磷酸盐缓冲溶液100ml,问需要浓度均为0.15molL-1NaH2PO4和NaOH溶液各多少毫升？（25H3PO4pKa1=2.12pKa2=7.20pKa3=12.36）,解：设需NaOH溶液Xml,则NaH2PO4溶液为（100X）ml当XmlNaOH加入到NaH2PO4溶液后，NaH2PO4消耗Xml并生成XmlNa2HPO4。NaH2PO4+NaOH=Na2HPO4+H2O,6.90=7.20+,28,X=25(ml)100X=75(ml),=-0.30,=0.50,29,第三节缓冲容量和缓冲范围,常用来定量表示，用公式表示如下：,一缓冲容量的概念,缓冲容量是衡量缓冲溶液缓冲能力大小的尺度，在数值上等于使单位体积缓冲溶液的pH值改变1个单位时，所需加入的一元强酸或一元强碱的物质的量(mol)。,一般越大，缓冲溶液缓冲能力越强；越小，缓冲能力越弱,(4-4),30,二影响缓冲容量大小的因素,1.缓冲比：当总浓度一定时，缓冲比愈接近1，缓冲容量愈大；缓冲比=1(即pH=pKa)时，缓冲容量最大。缓冲比愈远离1，缓冲容量愈小。,2.总浓度：同一缓冲系的缓冲溶液，缓冲比一定时，总浓度愈大，其缓冲容量愈大。,C总=CHB+CB-,31,缓冲容量与缓冲溶液的总浓度C总及CB-、CHB的关系,当缓冲比为1：1时，最大，且，则,(4-5),(4-6),32,【例题5】求总浓度为0.100molL-1HAc-NaAc缓冲溶液的缓冲容量极大值；已知HAc的pKa=4.75，求总浓度为0.100molL-1pH=4.45的HAc-NaAc缓冲溶液的缓冲容量。,解：当缓冲比为1：1，即CAc-：CHAc=1时，缓冲容量达极大值。已知c总=0.100molL-1，代入公式得,极大=0.576c总=0.5760.100,=0.0576（molL-1pH-1）,33,根据缓冲公式,34,故得CHAc=0.067molL-1CAc-=0.033molL-1,因CHAc+CAc-=0.100molL-1,代入式（3-7）得,35,缓冲比在具有有效缓冲作用,三缓冲范围,pH=pKa1,把缓冲溶液具有有效缓冲作用的pH值范围称为缓冲范围。,pKa+1pKa-1,36,常用缓冲系的缓冲范围,37,第四节缓冲溶液的配制一、缓冲溶液的配制方法,尽量使缓冲系弱酸的pKa与所配制溶液的pH值接近，至少使要求的pH值在所选缓冲系的缓冲范围（pKa1）之内。,1.选择合适的缓冲系,所选缓冲系在混合后不会产生副反应或沉淀；,对于医用缓冲溶液，还要考虑缓冲系是否有毒，是否与主药发生配伍禁忌，缓冲系在加温灭菌时和贮藏期内是否稳定等；,38,为使溶液具有足够的抗酸、抗碱成分和较大的缓冲容量，总浓度一般在0.0500.20molL-1为宜，若浓度太高，会因离子强度过大或渗透压过高而不切实际，总浓度太低，缓冲容量过小。,选择好缓冲系及其总浓度后，可根据HendersonHasselbach方程式计算所需弱酸及其共轭碱的量。,2.要有适当的总浓度,3.计算：,39,假设配制缓冲溶液时用的弱酸的浓度为CHB与其共轭碱的浓度CB相等，则,(4-3),40,【例题5】如何配制100mlpH值为4.95，总浓度为0.20molL-1的缓冲溶液。,解：选择HAcNaAc缓冲系，因为HAc的pKa=4.75,与所需配制溶液pH=4.95接近。若总浓度设为0.20molL-1，则CHAc=CNaAc=0.20molL-1,41,.,4.校正用酸度计或精密pH试纸另外，还可用其它方法配制（自学），利用经验配方配制或根据有关化学手册配制。,量出两种溶液所需体积，然后均匀混合，得到所需的缓冲溶液。,42,第五节血液中的缓冲系,一.缓冲溶液无论在基础医学或临床医学上，应用都十分广泛。例如微生物培养、细菌染色、组织切片、临床化验、血液贮存、蛋白质分离提纯、以及核酸和遗传基因的研究等，都需要一定pH值的缓冲溶液。,43,二.在生物体内，以酶为催化剂的各种生物化学变化，只能在适合的pH值下进行。因此体内各种体液都须恒定在一定pH值范围内，物质代谢反应才能正常进行。而血液的pH值能够恒定在7.400.05这一狭小范围内，这是由于血液中多种缓冲系的缓冲作用和肺、肾的调节作用的结果。三.药物配制,44,红细胞中存在的缓冲系有：H2CO3HCO3-、H2PO4-HPO42-、H2bHb-(血红蛋白)和H2bO2HbO2-(氧合血红蛋白)等。其中以H2bHb-和H2bO2HHbO2-缓冲系最重要。,四.血液中存在多种缓冲系,如血浆中存在的缓冲系有：CO2(溶解)NaHCO3、NaH2PO4Na2HPO4、HPrNaPr(Pr代表蛋白质)。其中碳酸缓冲系最重要。,45,在体内代谢的过程中，这些缓冲系能维持体液的pH值以保证生命的正常活动。,如碳酸在血浆中以CO2(溶解)形式存在，在溶液中发生以下反应：CO2(溶解)+H2OH2CO3H2CO3H+HCO3-当温度为37，I=0.16时，pKa=6.10,46,正常人血浆中HCO3-和CO2的浓度分别为0.024mmolL-1和0.0012mmolL-1，其比值为20/1，由式(4-10)计算血浆的pH值得,pH=6.10+lg=6.10+1.30=7.40,47,H2CO3HCO3-+H+肺CO2+H2O肾,HCO3-是血浆中含量最多的抗酸成分，在一定程度上可以代表血浆对体内所产生非挥发性酸的缓冲能力，因而习惯上把血浆中的HCO3-称为碱储。H2CO3发挥其抗碱作用,48,体内代谢所产生的大量CO2则是依靠红细胞中的H2b-Hb-、H2bO2-HbO2-这些缓冲对对其产生缓冲作用来实现的。如代谢产生的大量CO2与Hb-离子发生如下反应：CO2+H2O+Hb-H2b+HCO3-反应产生的HCO3-，由血液运输至肺，并与H2bO2反应，其反应式为：,49,H2bO2+HCO3-HbO2-+CO2+H2O反应生成的CO2从肺呼出。由此不难看出，在大量CO2从组织细胞输送至肺的过程中，由于HHb-Hb-和HHbO2-HbO2-的缓冲作用，也是使血液的pH值仍能稳定在7.400.05的狭小范围内的原因之一。,50,作业2、6、7、12、13、16,51,练习题,1、下列缓冲溶液中，缓冲能力最强的是（）A.0.10molL-1NH3溶液和0.10molL-1NH4Cl溶液等体积混合B.0.20molL-1NH3溶液和0.20molL-1NH4Cl溶液等体积混合C.0.20molL-1NH3溶液和0.20molL-1NH4Cl溶液2:1混合液D.0.10molL-1NH3溶液和0.10molL-1NH4Cl溶液2:1混合液,52,2在下列各组溶液中，不属于缓冲溶液的是A.NaH2PO4-K2HPO4溶液B.NH3-NH4Cl溶液C.0.10molL-1NaOH与0.20molL-1NH4Cl等体积混合溶液D.0.10molL-1HAc与0.10molL-1NaOH等体积混合溶液,3、缓冲容量取决于缓冲溶液的总浓度和缓冲比。,（）,（）,53,4已知H3PO4的pKa1=2.12,pKa2=7.21,pKa3=12.36,将相同浓度的NaH2PO4溶液与NaOH溶液按2:1体积比混合配成缓冲溶液，其抗酸成分是，该缓冲溶液的缓冲范围为。,525时，将80mL0.10molL-1