第4章缓冲溶液.ppt

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 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 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 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 典型缓冲溶液的三种类型 1弱酸及其共轭碱 如 HAc NaAc H2CO3 NaHCO3 C6H4 COOH 2 C6H4 COOH COOK 2弱碱及其共轭酸 如 NH3 NH4Cl CH3NH2 CH3NH3 Cl 3多元酸碱的共轭酸碱对 如 NaHCO3 Na2CO3 NaH2PO4 Na2HPO4 常见的缓冲对 系 如下表 二 缓冲作用原理 以HAc NaAc缓冲溶液为例说明 足量 HAc H2O H3O 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 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 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 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 第二节缓冲溶液的pH值 一 缓冲溶液pH值的计算公式 HB H2O H3O B NaB Na B 4 1 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 缓冲公式又可表示为 4 2 4 1 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 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 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 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 020mol L 1 NaAc 0 050mol L 1代入缓冲公式得 4 75 0 40 5 15 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 mol L 1 NaAc 0 050 0 0050 1 0 0 045 mol L 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 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 mol L 1 NaAc 0 050 0 0050 1 0 0 055 mol L 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 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 mol L 1 NaAc mol L 1 代入缓冲公式得 例题2 在0 10mol L 1NaH2PO4溶液300ml中加入0 10mol L 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 10mol L 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 代入公式得 反应后 即此时混合溶液的pH值为7 50 2 在300mlNaH2PO4溶液中加入400ml0 10mol L 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 代入公式得 反应后 此时混合溶液的pH值为12 36 例题3 在400ml0 10mol L 1NH3 H2O溶液中加入100ml0 10mol L 1HCl溶液 求混合溶液的pH值 已知NH3的pKb 4 75 HCl NH3 H2O NH4Cl H2O 解 混合后反应如下 反应后 氨水过量并有剩余 pKa 14 00 pKb 14 00 4 75 9 25 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 15mol L 1NaH2PO4和NaOH溶液各多少毫升 25 H3PO4pKa1 2 12pKa2 7 20pKa3 12 36 解 设需NaOH溶液Xml 则NaH2PO4溶液为 100 X 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 X 25 ml 100 X 75 ml 0 30 0 50 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 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 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 例题5 求总浓度为0 100mol L 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 100mol L 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 100mol L 1 代入公式得 极大 0 576c总 0 576 0 100 0 0576 mol L 1 pH 1 根据缓冲公式 故得CHAc 0 067mol L 1CAc 0 033mol L 1 因CHAc CAc 0 100mol L 1 代入式 3 7 得 缓冲比在 具有有效缓冲作用 三缓冲范围 pH pKa 1 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 1 pKa 1 常用缓冲系的缓冲范围 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 pKa 1 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 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0 050 0 20mol L 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 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 例题5 如何配制100mlpH值为4 95 总浓度为0 20mol L 1的缓冲溶液 解 选择HAc NaAc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 20mol L 1 则CHAc CNaAc 0 20mol L 1 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 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 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 40 0 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 红细胞中存在的缓冲系有 H2CO3 HCO3 H2PO4 HPO42 H2b Hb 血红蛋白 和H2bO2 HbO2 氧合血红蛋白 等 其中以H2b Hb 和H2bO2 HHbO2 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 NaH2PO4 Na2HPO4 HPr NaPr Pr代表蛋白质 其中碳酸缓冲系最重要 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 H2O H2CO3H2CO3 H HCO3 当温度为37 I 0 16时 pKa 6 10 正常人血浆中HCO3 和CO2的浓度分别为0 024mmol L 1和0 0012mmol L 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 H2CO3 HCO3 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 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 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 40 0 05的狭小范围内的原因之一 作业2 6 7 12 13 16 练习题 1 下列缓冲溶液中 缓冲能力最强的是 A 0 10mol L 1NH3溶液和0 10mol L 1NH4Cl溶液等体积混合B 0 20mol L 1NH3溶液和0 20mol L 1NH4Cl溶液等体积混合C 0 20mol L 1NH3溶液和0 20mol L 1NH4Cl溶液2 1混合液D 0 10mol L 1NH3溶液和0 10mol L 1NH4Cl溶液2 1混合液 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 10mol L 1NaOH与0 20mol L 1NH4Cl等体积混合溶液D 0 10mol L 1HAc与0 10mol L 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 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 5 25 时 将80mL0 10mol L 1NH3溶液