缓冲溶液医用化学.ppt

医用化学 主编薛会君刘德云 普通高等教育国家级 十一五 规划教材 第3章缓冲溶液 科学出版社卫生职业教育出版分社 1 掌握缓冲溶液的pH计算公式 并能利用公式进行相关计算2 理解缓冲溶液的缓冲原理和配制方法3 了解影响缓冲容量的因素和血液中的主要缓冲系 学习目标 科学出版社卫生职业教育出版分社 第1节缓冲溶液的组成及其作用 一 缓冲溶液的概念 缓冲溶液 buffersolution 具有缓冲作用的溶液 缓冲作用 bufferaction 能抵抗外加少量强酸 强碱或稀释而保持溶液pH基本不变的作用 科学出版社卫生职业教育出版分社 二 缓冲溶液的组成 缓冲溶液中同时含有抗酸和抗碱两种成分 通常将这两种成分称为缓冲对或缓冲系 缓冲对就是共轭酸碱对 其中共轭碱能对抗外来强酸称为抗酸成分 antacidingredient 共轭酸能对抗外来强碱称为抗碱成分 antalkalineingredient 科学出版社卫生职业教育出版分社 根据缓冲对的组成成分不同 缓冲溶液可分为以下三种类型 1 弱酸及其对应的共轭碱 2 弱碱及其对应的共轭酸 3 两性物质及其对应的共轭酸或共轭碱 CH3COOH CH3COONa NH3 H2O NH4Cl NaHCO3 Na2CO3 NaHCO3 H2CO3 NaH2PO4 Na2HPO4 二 缓冲溶液的组成 科学出版社卫生职业教育出版分社 三 缓冲作用原理 HAc和NaAc组成的缓冲体系中 存在下面的解离式 溶液中存在大量的Ac 只有少量与H 发生反应 达到平衡时 Ac 略有增加 HAc 略有减少 因此溶液的pH几乎不变 溶液中加入少量强酸时 科学出版社卫生职业教育出版分社 缓冲对中的共轭碱发挥了抵抗外来强酸的作用 因此称为抗酸成分 同理 缓冲对中的共轭酸发挥了抵抗外来强碱的作用 因此称为抗碱成分 对溶液进行适当稀释时 溶液的pH基本不变 由于缓冲溶液中含有大量的抗酸成分和抗碱成分 而且它们之间又存在质子转移平衡 因此可对抗外来的少量强酸 强碱 使溶液的pH基本保持不变 科学出版社卫生职业教育出版分社 第2节缓冲溶液pH的计算 一 缓冲溶液pH的计算公式 如果用HA A 代表任意一对缓冲对 则HA与A 之间存在下列质子转移平衡 HA A 科学出版社卫生职业教育出版分社 一 缓冲溶液pH的影响因素 1 缓冲溶液的pH主要取决于缓冲对中HA的解离常数 其次是共轭碱与共轭酸的分析浓度之比 即缓冲比 2 的大小取决于缓冲对物质的本性 不同的缓冲对具有不同的 当缓冲溶液的缓冲对确定后 缓冲溶液的pH只取决于缓冲比 缓冲比为时 3 对缓冲溶液进行适当稀释时 弱酸及其共轭碱的浓度同时降低 但缓冲比不变 故缓冲溶液的pH也基本不变 科学出版社卫生职业教育出版分社 二 缓冲溶液pH的计算示例 例3 1将0 10mol L 1HAc溶液50mL与0 10mol L 1NaAc溶液20mL混合 求此混合溶液的pH 已知HAc的 4 75 解 科学出版社卫生职业教育出版分社 例3 2将0 10mol L 1NH4Cl溶液和0 20mol L 1NH3 H2O溶液等体积混合 求此混合溶液的pH 解 NH3 H2O的 4 75 NH4 的 14 4 75 9 25 科学出版社卫生职业教育出版分社 例3 3将100mL0 10mol L 1盐酸加入到300mL0 10mol L 1氨水中 求混合后溶液的pH NH3 H2O的 4 75 解 由于 所以加入的HCl完全与NH3反应生成NH4Cl 剩余的NH3与生成的NH4Cl组成一对缓冲对 混合溶液中NH4 和NH3的浓度分别为 科学出版社卫生职业教育出版分社 例3 4将300mL0 10mol L 1HAc溶液和200mL0 10mol L 1NaAc溶液混合 求此缓冲溶液的pH 并计算在此缓冲溶液中分别加入10mL0 10mol L 1HCl溶液 10mL0 10mol L 1NaOH溶液和100mL纯水后缓冲溶液pH的变化 解 该缓冲溶液的缓冲系为HAc Ac HAc的 4 75 溶液中HAc和Ac 的浓度分别为 1 求原缓冲溶液的pH 科学出版社卫生职业教育出版分社 解 求加入HCl后缓冲溶液的pH 2 求加入盐酸和氢氧化钠后缓冲溶液的pH 加入HCl后 NaAc与HCl反应生成HAc 因此溶液中HAc和Ac 的浓度分别为 求加入HCl后缓冲溶液的pH 加入NaOH后 NaOH与HAc反应生成NaAc 因此溶液中HAc和Ac 的浓度分别为 求加入NaOH后缓冲溶液的pH 科学出版社卫生职业教育出版分社 解 3 求加入纯水后缓冲溶液的pH 加入纯水后 缓冲溶液中HAc和Ac 的浓度分别为 科学出版社卫生职业教育出版分社 第3节缓冲容量与缓冲溶液的配制 一 缓冲容量和缓冲范围 缓冲容量 使单位体积 1L或1mL 缓冲溶液的pH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 缓冲容量 加入的一元强酸或一元强碱的物质的量 缓冲溶液pH改变的绝对值 V 缓冲溶液的体积 数学表达式 科学出版社卫生职业教育出版分社 影响缓冲容量的因素 对于由同一缓冲对组成的缓冲溶液 当缓冲比一定时 缓冲溶液的总浓度越大 溶液中的抗酸成分和抗碱成分越多 缓冲容量就越大 1 缓冲溶液的总浓度 由同一缓冲对组成的缓冲溶液 当溶液的总浓度一定时 缓冲比越接近于1 缓冲容量就越大 当缓冲比等于1时 缓冲容量最大 此时pH pKa 缓冲比越偏离1 共轭酸与共轭碱的量相差越多 pH越偏离pKa 缓冲容量越小 2 缓冲溶液的缓冲比 科学出版社卫生职业教育出版分社 缓冲范围 一般当缓冲比大于10或小于时 可以认为缓冲溶液已经基本丧失缓冲能力 所以缓冲溶液只有当缓冲比在至10之间 即pH在至之间时 缓冲溶液具有较强的缓冲能力 缓冲范围 bufferrange 化学上将缓冲溶液具有缓冲作用的pH范围 即 的范围 HAc Ac 缓冲溶液的缓冲范围为3 75 5 75 不同的缓冲系 由于共轭酸的pKa不同 所组成的缓冲溶液的缓冲范围也不同 科学出版社卫生职业教育出版分社 表3 1常见的缓冲溶液及其缓冲范围 科学出版社卫生职业教育出版分社 二 缓冲溶液的配制 1 选择合适的缓冲对 所配制的缓冲溶液的pH应尽量接近缓冲对中共轭酸的pKa 并且在所选缓冲对的缓冲范围内 2 选择适当的总浓度 为了保证溶液中具有足够的抗酸成分和抗碱成分 通常将溶液的总浓度控制在0 05 0 5mol L 1范围内 3 缓冲比尽可能接近1 缓冲比越接近于1 缓冲容量越大 4 用酸度计进行校正 如果配制要求比较高时 按上述方法配制完成后 还需用酸度计进行精确测定并加以校正 必要时可加入少量的强酸或强碱来调节 使所配溶液的pH与要求的数值相一致 科学出版社卫生职业教育出版分社 例3 5如何配制200mLpH为5 00的缓冲溶液 缓冲溶液配制示例 1 选择合适的缓冲对 因为HAc的pKa 4 75 与所需配制的缓冲液的pH接近 所以选用HAc NaAc缓冲系 2 确定适宜的总浓度 为了计算方便 同时使缓冲液具有中等强度的缓冲能力 可以选用0 1mol L 1HAc溶液和0 1mol L 1NaAc溶液来配制 3 计算所需HAc溶液和NaAc溶液的体积 4 配制 用量筒量取72mL0 1mol L 1HAc溶液和128mL0 1mol L 1NaAc溶液 混合均匀 即得200mLpH为5 00的缓冲溶液 解 科学出版社卫生职业教育出版分社 例3 6欲配制pH 5 00的缓冲溶液500mL 计算应向100mL0 50mol L 1NaOH溶液中加入0 50mol L 1HAc溶液的体积 已知HAc的pKa 4 75 解 设需加入HAc的体积为VmL 配制缓冲溶液时发生如下化学反应 由于要配制的是缓冲溶液 所以 反应中生成的NaAc与剩余的HAc形成缓冲溶液 又因为二者在同一溶液中 总体积相等 则有 V 156mL 将156mL0 50mol L 1HAc溶液与100mL0 50mol L 1NaOH溶液混合均匀 再用水稀释至500mL 即得所需配制的缓冲溶液 科学出版社卫生职业教育出版分社 表3 2几种常用缓冲溶液的配制方法 科学出版社卫生职业教育出版分社 第4节缓冲溶液在医学上的意义 人体血液正常pH通常在7 35 7 45之间 如果血液的pH改变0 1个pH单位以上 就会出现酸中毒或碱中毒 严重者甚至会危及生命 人体在代谢过程中不断地产生酸性和碱性代谢物 人体血液的pH却始终维持在7 35 7 45的范围内 这说明血液具有足够的缓冲作用 血液是由多个缓冲对组成的缓冲体系 血浆中H2CO3或 CO2 溶解 NaHCO3的浓度最高 缓冲能力最强 是维持血液正常pH的主要因素 科学出版社卫生职业教育出版分社 血浆中H2CO3 NaHCO3缓冲系缓冲原理 在血液中主要以溶解状态的形式存在 在人的正常体温 37 时 其pKa值为6 10 正常人血浆中 CO2 溶解 0 0012mol L 1 0 024mol L 1 20 此时血液的pH为 科学出版社卫生职业教育出版分社 小结 能抵抗外加的少量强酸 强碱或稀释而保持溶液的pH基本不变的作用称为缓冲作用 具有缓冲作用的溶液称为缓冲溶液 缓冲溶液通常由抗酸成分和抗碱成分组成 它们是一对共轭酸碱对 其中共轭酸是抗碱成分 共轭碱是抗酸成分 缓冲溶液的缓冲作用是通过共轭酸碱对之间的质子转移平衡来实现的 影响缓冲容量的主要因素有缓冲溶液的