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第四章缓冲溶液Buffersolution 主讲 宋慧 无机与物化教研室 要点 掌握内容 缓冲溶液的概念 作用和组成 缓冲溶液的作用机制 缓冲溶液pH值的计算 缓冲容量的概念 影响因素及缓冲范围 缓冲溶液的配制的方法及计算 人体血浆中主要的缓冲系 了解内容 盐效应 肾和肺的调节作用 难点 缓冲溶液pH值的计算 肾和肺的调节作用 参考读物 普通化学原理 大学化学 无机及分析化学 生理学 第一节缓冲溶液的基本概念 0 1MHCl2drops 0 1MNaOH2drops 0 1MHCl2drops 0 1MNaOH2drops Neutralcolor Acidiccolor basiccolor 1 缓冲溶液定义 具有抵抗外来的或本身化学反应中所产生的少量强酸或强碱的侵入或抵抗适当稀释而保持溶液pH值基本不变的溶液 KH2PO4 Na2HPO4HAc NH4Ac Na2CO3 NaHCO3 Bufferaction ThesolutionhastheabilitytoresistchangesinpHupontheadditionofsmallamountsofeitheracidorbaseandalsocanbeproperlydilutedwithoutchanginginpH H2PO4 CH2PO4 H3O CH2PO4 HPO42 CHPO42 H3O CHPO42 KH2PO4 Na2HPO4 同离子效应 Theweakacidanditsconjugatebaseortheweakbaseanditsconjugateacid Asolutionthatcontainsappreciableamountsofbothaweakacid base anditsconjugatebase acid iscalledbuffersolution Buffersystem orbufferpair 2 缓冲溶液的组成Compositionofbufferedsolution 由具有足够浓度的弱酸或弱碱的共轭酸碱对组成 共轭酸起抗碱作用 叫抗碱成分 而共轭碱起抗酸作用 叫抗酸成分组成缓冲溶液的共轭酸碱对称作缓冲系 buffersystem 或缓冲对 bufferpair 在KH2PO4 Na2HPO4缓冲系中抗碱成分为H2PO4 抗酸成分为HPO42 3 缓冲溶液的组成类型 1 弱酸 共轭碱HAc NaAc2 弱碱 共轭酸NH3 NH4Cl3 多元酸酸式盐 共轭碱KH2PO4 Na2HPO4 缓冲溶液的缓冲作用机制Themechanismofactionofbuffer HAc NaAc缓冲溶液的抗酸抗碱机制HAc H2O H3O Ac 结论 缓冲溶液的缓冲作用是以质子在共轭酸碱对之间的转移来实现的 OH H H2O Themechanismofbufferactionofbuffersolutionistheprotontransferbetweentheconjugateacid basepair NH4Cl NH3 一 缓冲溶液pH值的计算公式pHclculationofbuffersolution Henderson Hasselbalchequation HB H3O B 第二节缓冲溶液的pH值 若溶液中HB与B 以同体积单位下的n表示 则 HB在溶液中只少部分解离 且因B 的同离子效应 使HB几乎完全以分子状态存在 根据n cV 若取储备液c B c HB 公式说明 1 缓冲液pH值主要取决于弱酸的离解常数Ka2 当pKa一定时 pH值与缓冲比比值有关 当时 pH pKa3 pKa为缓冲系中共轭酸的pKa值4 为近似公式 受离子强度影响须校正5 抗稀释作用 I B HB notinsamepace pHischangedslightly ThecorrectingofHenderson Hasselbalchequation 校正因子 与I 共轭酸的Z有关 Example 0 10mol L 1KH2PO4与0 05mol L 1NaOH各50ml混合成缓冲溶液 假定混合溶液的体积为100ml 分别求此缓冲溶液近似和准确pH值 Abuffersolutionispreparedbyequalvolumeof0 10mol L 1KH2PO4and0 05mol L 1NaOH assumethevolumeofthebuffersolutionis100ml pleasecalculateapproximatelyandaccuratelythepHofthebuffersolutionrespectively Solution Beforethereaction n H2PO4 0 10 50 5mmoln NaOH 0 05 50 2 5mmol Afterthereaction n H2PO4 5 2 5 2 5mmoln NaOH 0n HPO42 2 5mmol SoabuffersolutionwasmadeupbytheexcessH2PO4 andtheproductofthereaction HPO42 TheapproximatelypHofthesolutionis7 21 Acid H2PO4 Z 1 lookintothechemistrytable lg HPO42 H2PO4 0 32 Theionsinthesolutionare K Na H2PO4 HPO42 Actuallythedata pH 6 86 then 第三节缓冲容量buffercapacity 0 01molOH HB H2O B H30 OH 平衡右移 B HB HB CHB 0 01 B CB 0 01加碱抗碱成分降低 将 HB 及 B 代入Henderson公式得 OH CB O O1pH pka lg pH CHB 0 01 0 01molH HB H2O B H30 H 平衡左移 HB B HB CHB 0 01 B CB 0 01加酸抗酸成分降低 将 HB 及 B 代入Henderson公式得 H CB 0 01pH Pka lg pH CHB 0 01 CB O O1 OH pH pka lg pH CHB 0 01CB 0 01 H pH pka lg pH CHB 0 01设 OH 或 H 后 pH变化值 pH pH2 pH1 pH 变化大 缓冲溶液缓冲作用能力弱 pH 变化小 缓冲溶液缓冲作用能力强 一 缓冲容量 Buffercapacity 定义 在数学上等于使单位体积 1L或1mL 缓冲溶液的pH值改变一个单位时 所需加入一元强酸或强碱的物质的量 mol或mmol 用符号 表示 n 加入的强酸或强碱的物质的量 pH pH的改变值的绝对值 mol L 1 pH 1 经数学推导可得 或 db dpH 2 303 HB B C总式中 C总 HB B 当 HB B 1或 HB B C总 2 达极大 极大 2 303 C总 2 C总 2 C总 0 576C总 例题 已知缓冲溶液NaAc HAc的C总 0 140mol L 1 其中CB 0 1mol L 1 CHB 0 04mol L 1 溶液pH 5 15 现分别加入0 010molHCl 0 010molNaOH 缓冲溶液pH分别变为5 01和5 31 分别求这缓冲溶液在加酸加碱时的缓冲容量 解 加0 010molHCl后 pH 5 15 5 01 0 14加0 010molNaOH后 pH 5 31 5 15 0 160 010 酸 b pH 0 071mol L 1pH 10 140 010 碱 b pH 0 062mol L 1pH 10 16 加入强酸强碱物质的量一样 但 酸 碱 为什么 原抗酸成分CB 0 10mol L 1原抗碱成分CHB 0 040mol L 1CB CHB 抗酸成分 抗碱成分 所以在加酸时溶液pH值改变较小 酸 碱 缓冲容量与pH的关系 4 75 NaOH 0 05mol L 1KH2PO4 NaOH HCl 0 1mol L 1 0 2mol L 1HAc NaAc 0 05mol L 1H2BO3 NaOH 3 75 5 75 1 0 01讨论缓冲范围才有意义 把缓冲溶液pH pKa 1变化范围称为缓冲范围 二 影响缓冲容量的因素 当缓冲比一定时 pH值一定时 C总愈大 则 愈大 C总 CHB CB 当C总一定时 缓冲比愈趋向于1 愈大 当缓冲比等于1时 pH pKa 达极大值不同缓冲系 当C总相同时 极大值相同 极大 0 576C总 三 缓冲作用范围 0 01缓冲比 1 10 10 1pH pKa lg10 pKa 1或pH pKa lg1 10 pKa 1即pH值处于pKa 1之间 称为缓冲溶液的缓冲范围 思考题 已知HAc NaAc缓冲溶液的pH 4 则该溶液的缓冲作用范围为pH 3 5已知KNH3 4 75则NH4Cl NH3缓冲溶液的缓冲作用范围是3 75 5 75 四 pH 1 2 pH 12 13的强酸 强碱可作为与之相适应的pH值区域的缓冲液注意 强酸强碱与缓冲溶液缓冲作用有本质区别 第四节缓冲溶液的配制 若无特殊要求 缓冲液配制原则 一 要求所配的缓冲液pH尽可能等于或接近所选配缓冲系的pKa 即pH pKa 这样配出的缓冲液可获得较大 二 选择合适的总浓度 一般0 05 0 2mol L pH 5pKa 4 75HAc NaAcpH 10pKa 9 25NH3 NH4ClpH 10pKa 9 30HCN NaCNpH 7pKa2 7 21NaH2PO4 K2HPO4 三 配制方法 pH 3 11之间 通过计算求出要配的pH值所需的酸碱量 或从文献获得 共轭酸 NaOH共轭碱 HCl共轭酸 共轭碱pH11范围的缓冲溶液以强酸强碱代替强酸 KCl强碱 KCl 例 用1 00mol LNaOH中和1 00mol L丙酸 用HPr代表 的方法 如何配制1000mlC总 0 1mol LpH 5 00的缓冲溶液 已知HPrpKa 4 87 解 NaOH与HPr中和反应NaOH HPr H2O NaPr1molHPr 1molNaOH 1molNaPrC总 CHPr CNaPr 未参加反应的CHPr 参加反应的CHPr 0 1mol L HPr所需的总量 设需1 00mol LHPr总量为Xml0 100 1000 1 00 100ml C总 CHPr CNaPr 0 100mol L 1 CHPr 0 100 CNaPr代入CNaPrCNaPrpH pka lg CHPr0 1 CNaPr CNaPr5 00 4 87 lg 0 1 CNaPrCNaPr 0 0575mol L 1需生成nNaPrnNaPr CV 0 057 1000 10 3mol由于1molNaOH 1molNaPr nNaPr nNaOH CNaOH VNaOH0 0575 1000 1 0VNaOHV 57 5ml配制方法 取1 0mol L 1NaOH57 5ml与1 0mol L 1丙酸100ml相混合 用水稀至1000ml即得总浓度为0 100mol L 1pH 5 00的丙酸缓冲液 标准缓冲溶液 特点 由一种或两种化合物配制而成 具有缓冲作用和准确的pH值 其温度系数较小缓冲作用机制 一 两性物质作标准溶液 1 两性物质可形成两个缓冲系 2 H2B HB 的pKa与HB B 的pKa 1接近 使两个缓冲范围重叠 缓冲效力增强 酒石酸氢钾标准缓冲溶液pH 3 557KHC4H4O6 K HC4H4O6 H2C4H4O6C4H4O62 pKa1 2 98pKa2 4 30 1 98 3 98 1 98 5 3 3 3 5 3 特点 两对缓冲对 pKa1与pKa2接近 缓冲作用范围重叠 缓冲效力增强 具有足够浓度 二 化合物组成成分相当一对缓冲溶液硼砂 1molNa2B4O7 10H2O 2molHBO2 2molNaBO2 HBO2 BO2 pH 9 180三 缓冲溶液作标准缓冲溶液KH2PO4 Na2HPO4 标准缓冲液表 标准缓冲溶液的配制要求 水的纯度很高 重蒸水配制碱性区域缓冲液需新CO2排除的重蒸水 第五节血液中的缓冲系 人体血浆pH值范围为 酸中毒碱中毒血液缓冲结果 进入血液的酸或碱性物质几乎在瞬间被缓冲掉 体内酸性 碱性物质来源 1 新陈代谢中产生2 自食物中吸收糖 脂肪 蛋白质 酸3 消化液中吸收水果 蔬菜 碱 一 血液中的缓冲物质及其缓冲作用 1 血浆中的缓冲系及缓冲作用 血浆中的缓冲系 H2CO3 HCO3 H2PO4 HPO42 HnP Hn 1P HA A 浓度最大 H2CO3 HCO3 人体主要的缓冲对 它对维持体内血浆pH值起着重要的作用其中HCO3 是血浆中含量最多的抗酸成分 亦称之为碱储 其缓冲比 HCO3 H2CO3 0 027 0 00135 20 1 血浆中缓冲系的缓冲作用 Ka1Ka2CO2 溶 H2O H2CO3 H3O HCO3 肾脏补充肺部排出 平衡左移 随尿液排出 肾脏 平衡右移 产物HCO3 在肾脏随尿液排出 H OH Ka1Ka2CO2 溶 H2O H2CO3 H3O HCO3 CH CHCO3 Ka Ka1 Ka2CCO2 HCO3 0 027pH pka lg 6 1 lg CO2 0 0013520pH 6 1 lg 7 41 HCO3 CO2 20 1 衡量人体酸碱性正常比值 但为何进入血液的酸或碱性物质几乎在瞬间被缓冲掉还起缓冲作用 2 血红细胞中的缓冲系及缓冲作用 红细胞中缓冲对 H2bO2 HbO2 氧合血红蛋白 H2b Hb 血红蛋白 H2CO3 HCO3 H2PO4 HPO42 在红细胞内液的缓冲对通过细胞内外离子转移作用 参与缓冲作用 但这种离子转移作用比较缓慢 往往需2 4小时 二 肺在维持酸碱平衡中的作用 肺在维持体内酸碱平衡中的作用于是通过呼吸运动来调节血浆中H2CO3的浓度代谢 CO2 肺 血中 H 主要因素之一 非挥发性酸 血HCO3 缓冲CO2 H2O Hb H2b HCO3 肺H2bO2 H2O CO2 HbO2 肺部排出 CO2 溶 H2O H2CO3 H3O HCO3 HCO3 20酸入血 缓冲作用 CO2 1PCO2 呼吸中枢兴奋pH 呼吸加深加快 呼出更多CO2 血浆 H2CO3 降低 HCO3 H2CO3 20 1 pH恢复至正常水平 CO2 溶 H2O H2CO3 H3O HCO3 HCO3 20碱入血 缓冲作用 CO2 1PCO2 呼吸中枢抑制pH 呼吸变浅变慢 呼出CO2减少 血浆 H2CO3 升高 HCO3 H2CO3 20 1 pH恢复至正常水平 肺的缓冲机制 肺是通过多呼或少呼出CO2的方式 精确地调节着缓冲对的分母 使缓冲对的比值恢复正常 以维持血液的pH值处在相对恒定的范围之内 肺的调节作用是较迅速的在正常情况下10 30分钟内即可完成 三 肾在维持酸碱平衡中作用 H2PO4 H2O HPO42 H3O 机体排酸 血 CO2 溶 H2O H2CO3 H3O HCO3 平衡左移 消耗的HCO3 由肾脏补充机体排酸 原尿 H2PO4 H2O HPO42 H3O NH4 H2O NH3 H3O 平衡左移 机体 H 尿液酸度增高 排出体外肾作用 补充HCO3 排酸 排酸保碱作用 肾的排酸保碱作用 原尿肾小管细胞肾小管腔H NH3 H NH4 NH3HPO42 H H2PO4 血NaHCO3Na 终尿NH4 H2PO4 pH