医学基础化学-第三章缓冲溶液.ppt

2020 3 26 第三章缓冲溶液 ChapterThreeBufferSolution 2020 3 26 主要内容 缓冲溶液的概念和缓冲作用原理 第三章缓冲溶液 BufferSolution 缓冲溶液的pH值 缓冲容量 缓冲溶液配制 缓冲溶液在医学上的应用 2020 3 26 内容提要 一 缓冲溶液的缓冲作用和组成二 缓冲类型 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 实验1 25oC时 纯水的pH 7 00 在1L纯水溶液中加入0 01mol的强酸 HCl 或0 01mol强碱 NaOH 溶液的pH发生了显著变化 改变了5个pH单位 结论 纯水易受外加少量强酸或强碱的影响 pH发生显著变化 纯水不具有抵抗外加少量强酸或强碱而使溶液的pH保持基本不变的能力 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 实验2 在1L含HAc和NaAc均为0 1mol L 1溶液中加入0 01mol的强酸 HCl 溶液的pH由4 75下降到4 66 仅改变了0 09个pH单位 若改加入0 01mol强碱 NaOH 溶液的pH由4 75上升到4 84 也仅改变了0 09个pH单位 此混合溶液pH改变很小 如用水稍加稀释时 亦有类似现象 即HAc NaAc溶液pH保持基本不变 结论 HAc NaAc混合溶液具有抵抗外加少量强酸 强碱或稍加稀释而保持溶液的pH基本不变的能力 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 1 缓冲溶液的概念 ConceptofBufferSolution 能抵抗少量强酸 强碱和水的稀释而保持体系的PH值基本不变的溶液称缓冲溶液 BufferSolution 缓冲溶液对强酸 强碱或稀释的抵抗作用叫做缓冲作用 Bufferaction 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 较浓的强酸 强碱也具有缓冲作用 但实际上很少作为缓冲溶液使用 通常我们所说的缓冲溶液 一般是由足够浓度的共轭酸碱对的两种物质组成 2020 3 26 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 1 加入少量强酸 Addingasmallamountofacid 当向混合溶液中加入强酸时 溶液中的H3O 浓度增加 但Ac 能接受H3O 的质子 转变成HAc 使平衡向左移动 由于加入的强酸量比较少 大量的Ac 仅少部分与H3O 反应 达到新的平衡时 Ac 的离子略有降低 HAc分子的浓度略有升高 而H 浓度几乎没有升高 所以溶液的pH值基本保持不变 Ac 叫做抗酸成分 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 2 加入少量强碱 Addingasmallamountofbase 当向混合溶液中加入强碱时 溶液中的OH 浓度增加 OH 与H3O 反应生成H2O 从而使H3O 减少 使平衡向右移动 促使HAc离解生成H3O 与OH 反应所消耗的H3O 由HAc离解生成H3O 来补充 达到新的平衡时 HAc的浓度略有降低 Ac 离子的浓度略有升高 而H3O 浓度几乎没有降低 所以溶液的pH值基本保持不变 HAc叫做抗碱成分 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 3 稀释 Dilution 当缓冲溶液稀释时 H3O 离子的浓度改变不大 其原因是稀释了共轭酸和共轭碱相同的倍数 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 3 缓冲系类型 CompositionandTypeofbuffersolution 对于其它类型的缓冲溶液与HAc NaAc所组成的缓冲溶液类似 由一种共轭酸和相应的共轭碱组成的缓冲溶液 在溶液中都存在着如下的质子转移平衡 A H2OB HO3 2020 3 26 抗酸时 消耗共轭碱 平衡向左移动 同时产生共轭酸 抗碱时 消耗共轭酸 平衡向右移动 同时产生共轭碱 因此 溶液的pH值保持基本不变 像这种弱酸及其共轭碱组成的混合液 只要具有足够的浓度 就具有缓冲作用 A称为抗碱成分 B称为抗酸成分 这两种成分合称缓冲系 buffersystem 或缓冲对 bufferpair 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 3 缓冲系类型 CompositionandTypeofbuffersolution 1 弱酸及其它的共轭碱 盐 组成的缓冲系 Weakacidanditsconjugatebase salt HAc NaAc H2CO3 NaHCO3Z 0 A0 B 2 弱减及其它的共轭酸 盐 组成的缓冲系 Weakbaseanditsconjugatebase salt NH3 H2O NH4Cl ph NH3 ph NH2Z 1 A B0 3 多元酸的酸式盐及其它的次级盐组成的缓冲系 Polyproticacidsaltanditsconjugate NaHCO3 Na2CO3 NaH2PO4 Na2HPO4Z 1 A B2 第一节缓冲溶液及缓冲作用原理 2020 3 26 内容提要 一 缓冲溶液pH的计算公式二 缓冲溶液pH的计算 第二节缓冲溶液的pH ThepHofBufferSolution 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 1 缓冲溶液pH值的计算公式 亨德森 哈塞尔巴赫方程式 HendersonHasselbalchequation HA aq H aq A aq H A Ka HA HA H Ka A HA log H logKa log A 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution HA A pH pKa log pKa log A HA base pH pKa log acid 这就是亨德森 哈塞尔巴赫方程式 Henderson Hasselbalchequation 2020 3 26 缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution HA的浓度为c HA 或称起始浓度 配制浓度 NaA的浓度为c NaA HA解离部分的浓度为c HA 则 HA 平 c HA c HA A 平 c NaA c HA HA 平 c HA A 平 c NaA c A 又可表示为 A pH pKa log HA c A pH pKa log c HA c 共轭碱 pH pKa log c 共轭酸 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 对于具体的缓冲系 1 HAc NaAc缓冲系 HA 共轭酸 H Ka Ka A 共轭碱 2 NH4Cl NH3缓冲系 NH3 共轭碱 OH Kb Kb NH4 共轭酸 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 由上面公式可知 1 缓冲溶液的pH值取决于共轭酸的Ka和缓冲溶液的缓冲比值 bufferratio ra 即 共轭酸 共轭碱 ThepHofabuffersolutiondependsontheKaofconjugateacidandtheratioofconjugateacidandconjugatebase Theratioiscalledbufferratio 2 同一缓冲系 当温度和Ka一定时 其pH值取决于缓冲比 只要改变缓冲比 可在一定范围内配制不同pH值的缓冲溶液 Forcertainbuffersolution atagiventemperature Kaisaconstant pHdependsonthebufferratio Wecandesigndifferentbuffersolutionsbychangingthebufferratio 3 当缓冲比等于1 即 共轭酸 共轭碱 时 缓冲溶液的pH值等于组成缓冲溶液的弱酸的pka Whenbufferratio 1 A HA pH pKa 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 4 加入少量水稀释 若只考虑体积变化 缓冲比不变 实际上溶液稀释时可改变溶液的离子强度和弱酸的电离度 缓冲比随之改变 必然引起pH值的改变 若稀释后的体积改变不大时 pH值的改变是很小的 Whenbuffersolutionisdiluted thebufferratioisnotchanged sopHofbuffersolutionisnotchanged 5 pKa logKaH2PO4 HPO42 NH4 NH3 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 若缓冲溶液中弱酸及其共轭碱的浓度相同 c A c B 时 可改写为 c B V B pH pKa log c A V A V B pH pKa log V A 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 若缓冲溶液的体积以V表示 若以nA nB分别表示的溶液中所含共轭酸和共轭碱的物质的量 则n B n B c A c HA VV则 n B pH pKa log n A nBpH pKa log nA亨德森 哈塞尔巴赫方程式 Henderson Hasselbalchequation 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 2 缓冲溶液的pH值计算 例4 1 计算1 0mol LHAc和1 0mol LNaAc缓冲系的pH值 pKaHAc 4 75 A 1 0pH pKa log 4 75 log HA 1 0 4 75 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 例4 2 计算0 10mol L 1NH320ml和0 20mol L 1NH4Cl15ml混合溶液的pH值 解 此混合溶液的缓冲系为NH4 NH3 查表知 pKa NH4 9 25 代入公式得 9 25 0 17 9 08 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 例4 3 在100ml的0 1mol L HCl 溶液中加入400ml0 1mol L NH3 溶液 该溶液的pH是多少 pkb 4 75 解 acid NH4 100 0 1 500 10 500 mol L base NH3 400 0 1 100 0 1 500 30 500 mol L pKa NH4 14 4 75 9 25 base 30 500pH pKa log 9 25 log 9 73 acid 10 500 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 例4 4 取0 10mol L 1KH2PO410ml与0 20mol L 1Na2HPO41 0ml混合 求其混合溶液的pH值 解 此混合溶液的缓冲系为H2PO4 HPO42 查表知H2PO4 的pKa2 7 21 代入公式得 7 21 0 70 6 51 2020 3 26 3 2缓冲溶液的pH值ThepHofBufferSolution 补1 在烧杯中盛放20 00mL0 10mol L 1NH3 H2O溶液 逐步滴入0 10mol L 1HCl溶10 00mL 求此混合溶液的pH值 pKb 4 75 补2 取50 00mL0 10mol L 1某一元弱酸溶液与20 00mL0 10mol L 1KOH溶液混合 将此液稀释至100mL测出此液的pH值为5 25 求此一元弱酸的电离常数是多少 补3 298K时 将150mL0 2mol L 1NaAc溶液与50mL0 1mol L 1H2S04混合 求混合溶液的pH值 若混合溶液中含有10 5mol L 1Fe3 杂质 判断有无沉淀产生 pKa 4 75 Ksp 1 1 10 36 2020 3 26 解题思路 加入HCl后 进行如下反应 NH3 H2O HCl NH4Cl H2O由此知 反应后 nNH3 20 00 0 100 10 00 0 100 1 mmol nNH4 nHCl 0 100 10 00 1 mmol 由得 所以 pH 14 0 4 75 9 25 补1 2020 3 26 解题思路 反应 HA KOH KA H2O平衡后 HA 50 0 10 20 0 10 100 0 03 mol L 1 KA 20 0 10 100 0 02 mol L 1 由得 所以 kHA 3 75 10 6 补2 2020 3 26 补3 解题思路 混合溶液中的反应 2NaAc H2SO4 Na2SO4 2HAc由等物质的量规则知 NaAc 150 0 20 50 0 10 200 0 03 mol L 1 HAc 2 50 0 10 200 0 05 mol L 1 由得 所以 pH 5 15pOH 8 85 OH 1 40 10 9mol L 1又Fe3 3OH Fe OH 3Qi Fe3 OH 3 2 74 10 32 1 1 10 36故有Fe OH 3沉淀产生 2020 3 26 第三节缓冲容量和缓冲范围 内容提要 一 缓冲容量二 影响缓冲容量的因素三 缓冲容量与pH值的关系 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution 1 缓冲容量的概念 Conceptofbuffercapacity 缓冲容量 在数值上等于单位体积 1L或1ml 的缓冲溶液的pH值改变一个单位所需外加一元强酸或者一元强碱的物质的量 mol或mmol 其数学表达式为 Thebuffercapacity istheamount of substanceofstrongacidorbaseperliterneededtoproduceaunitchangeinpH 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution b a pH pH b a分别为单位体积中加入一元强碱 一元强酸的微小量 pH值为加入强碱 强酸后溶液pH值的改变量 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution 值越大 就相当于使单位体积缓冲溶液的pH值改变1个单位所需要加入强酸或强碱的量越多 缓冲能力越大 缓冲容量只是在一定范围内的平均值 加入强酸或强碱的量越少 pH值的改变量越小 缓冲容量的计算值越准确 dbda dpH dpH 缓冲容量单位是mol L 1 pH 1 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution 缓冲溶液pH值每发生一微小变化 都有相应的缓冲容量 换言之 缓冲容量是随着pH值的改变而改变的 这种变化关系如图 图3 1缓冲容量与pH值的关系a HCl b c HAc NaAc d 0 05mol LKH2PO4 NaOH e 0 05mol LH3BO3 NaOH f NaOH 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution 2 影响缓冲容量的因素 FactorsofInfluencingBuffercapacity 缓冲容量的大小取决于缓冲溶液的总浓度和缓冲比 2 1 缓冲溶液总浓度对缓冲溶液的影响 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution 当缓冲比一定时 缓冲溶液的总浓度越大 则缓冲容量就越大 如上图曲线b和c 此变化关系还可以用下表实例说明 Table3 1 therelationshipbetweencapacityandconcentration Buffer Ac mol L HAc ratioctotal molL 1pH 1 10 10 11 10 20 11520 020 021 10 040 023 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution 2 2 缓冲比对缓冲容量的影响 当缓冲溶液的总浓度一定时 缓冲容量是随着缓冲比的变化而变化的 见上图的曲线b c d e 当缓冲比等于1时 即溶液的pH pKa时 缓冲容量最大 在曲线上是极大值 而缓冲比远离1 即pH远离pKa时 缓冲容量变小 缓冲比偏离1越远 缓冲容量越小 此变化关系还可以用下表实例说明 2020 3 26 Table3 2 therelationshipbetweencapacityandbufferratio Buffer Ac mol L HCl ratioctotal molL 1pH 1 10 0950 00519 10 10 010920 090 019 10 10 020730 050 051 10 10 057640 010 091 90 10 020750 0050 0951 190 10 0109 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution 2 3 缓冲溶液的缓冲范围一般认为 当缓冲比小于1 10或大于10 1 相应地溶液的pH值小于pKa 1或pKa 1 时 缓冲容量已太小 溶液已失去缓冲能力 Whentheratio A HA 1 10or 10 1 inotherwordspH pKa 1orpH pKa 1 thesolutionlosesbufferability 缓冲溶液的pH值在pH pKa 1区间时 缓冲溶液才具有缓冲能力 缓冲溶液具有缓冲能力的pH范围pH pKa 1 称为缓冲范围 bufferrange onlyintherange pH pKa 1thebufferiseffective Thisrangeiscalledbufferrange 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution Figure DistributioncurvesforaceticacidandacetateionasafunctionofpH 2020 3 26 3 3缓冲溶液的缓冲容量CapacityofBufferSolution Figure Distributioncurvesforcarbonicacid bicarbonateion andcarbonicion asafunctionofpH 2020 3 26 内容提要 一 缓冲溶液的配制原则二 缓冲溶液的配制 第四节缓冲溶液的配制 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 1 缓冲溶液的配制规则 PreparingPrincipleofBufferSolution 1 选择合适缓冲系 Choosethesuitablebuffersystem pH 4 2buffersolution HAc NaAc pKa 4 75 bufferrange 3 7 5 6要有多种缓冲系可供选择 则应该尽可能选择更接近欲配制的pH值缓冲系 这样的缓冲溶液的缓冲比尽量等于1 使得缓冲能容量最大 pH 5 2buffersolution HAc NaAc pKa 4 75KOOCC6H4COOH KOOCC6H4COONa pKa 5 4 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 要有适当的总浓度 Choosethesuitabletotalconcentration一般缓冲溶液总浓度在0 05 0 2mol L 1 缓冲容量为0 01 0 1之间 总浓度太低 缓冲容量过小 总浓度太高 离子强度太大 配制的缓冲溶液的pH值必须校正 3 根据所要求的pH值和所选用缓冲系中的共轭酸的pKa 计算各种缓冲成分所需的量 4 按照计算结果 将所需的共轭酸和共轭碱溶液混合均匀 即可得到一定pH值和一定体积的缓冲溶液 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 2 缓冲溶液的配制 2 1 以相同浓度的共轭酸和共轭碱来配制 先配制出相同浓度的共轭酸和共轭碱溶液 然后根据缓冲溶液的pH计算公式计算出所需的共轭酸和共轭碱的体积数混合 就可以得到要配制的缓冲溶液 设需配制溶液的总体积为V 共轭酸的体积为VA和共轭碱VB 混合溶液的浓度为C 则 cVAcVB A B VB V VAVVVBV VApH pKa lg pKa lg VAVA 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 例1 如何配制pH 5 00 具有中等缓冲能力的缓冲溶液100mL 解 1 选择合适的缓冲系 HAc Ac 2 选总浓度 所配制的缓冲溶液是中等缓冲能力 总浓度可选0 1mol L 1 3 计算所需HAc NaAc的量 Ac 100 VApH pKa log 4 75 log 5 00 HAc VA计算得 VA 36 00mL VB 64 00mL 4 量取64 00mL0 1mol L 1NaAc溶液和36 00mL0 1mol L 1HAc溶液混合均匀 即可得到pH 5 00 具有中等缓冲能力的缓冲溶液100mL 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 2 2 在一定量弱酸中加入一定量的强碱配制缓冲溶液例2 用1 00mol L 1NaOH中和1 00mol L 1丙酸 用HPr代表 的方法 如何配制1000ml总浓度为0 100mol L 1pH5 00的缓冲溶液 已知丙酸的pKa 4 86 解 1 1000ml缓冲溶液中缓冲物质总的物质的量皆由HPr提供 设1000ml总浓度为0 1mol L 1的缓冲溶液需1 00mol L 1HPr为xml则0 1 1000 1 00 xx 100 ml 加入丙酸的物质的量为 100 1 100mmol 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 2 设需加入1mol L 1NaOH为Vml则生成的丙酸钠为V 1 Vmmol 总的物质的量为100mmol 全部由丙酸提供 取1 00mol L 1丙酸100ml 1 00mol L 1NaOH58 0ml加水至1000ml 即得总浓度为0 100mol L 1pH5 00的丙酸缓冲溶液1000ml V 58 0 ml 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers Example3 WewanttoprepareabuffersolutionofpH 5 10 calculatethevolumeof0 1mol LNaOHweshouldaddinthesolutionof100ml0 1mol LHCl buffersystem HAc Ac pKa 4 75HAc OH Ac H2OAddednNaOH producednAc neutralizednHAcSupposeaddxmlNaOH nAc 0 1xnHAc 0 10 100 0 1xpH pKa log nAc nHAc 5 10 4 75 log 0 10 x 0 10 100 0 1x x 69 1mltake69 1ml0 10mol LNaOHsolution addtothe100ml0 1mol LHAcsolution then mixedcompletely YougotabuffersolutionofpH5 10 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 补例 配制1LpH 10 0的NH3 NH4Cl缓冲溶液 已用去350ml15mol L 1氨水 问需氯化铵多少克 已知Kb NH3 1 8 10 5 M NH4Cl 53 5gmol 1 解 即 pKa 9 25 m NH4Cl 50g 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 补例1 欲配制pH 5 00缓冲溶液 计算在50mL0 1mol L 1HAc溶液应加入0 1mol L 1NaOHmL溶液若干毫升 补例2 已知 25 时 HAc的Ka 1 76 10 5 H2CO3的Ka1 1 76 10 7 H3PO4的Ka1 1 76 10 3 问 配制pH 4 75的缓冲溶液选用哪种酸最好 计算需要要这种酸多少克与NaOH多少克才能配制1L总浓度为1mol L 1的缓冲溶液 补例3 欲配制500mLpH 5 00缓冲溶液 若原始溶液中HAc浓度为0 2mol L 1 需加入NaAc 3H2O多少克 忽略体积变化 若用6 0mol L 1HAc溶液配制原始溶液需多少毫升 配制时如何具体操作 Ka 1 76 10 5 MNaAc H2O 2020 3 26 补例1 解题思路 混合溶液中的反应 HAc NaOH NaAc H2O由等物质的量规则知 被中和的HAc的物质的量 生成的NaAc的物质的量 被加入的NaOH的物质的量设需加入NaOH的体积为zml 则加入NaOH的物质的量为0 1zmol 配制成缓冲溶液的总体积为Vml 其值等于 50 z ml所以 Ac 0 10z V mol L 1 HAc 0 5 0 1z V mol L 1 由得解得 z 32 0ml在50 0mlHAc溶液中加入32 0ml0 1mol L 1NaOH溶液 然后混合 摇匀即得pH 5 00的缓冲溶液 2020 3 26 补例2 解题思路 1 选择HAc最好 配制pH 4 75的缓冲溶液 pka 4 75 2 设需要HAc为xmol NaOH为ymolHAc NaOH NaAc H2O由等物质的量规则知 HAc x y Ac y 又知 缓冲溶液的浓度为1mol L 1 所以有 HAc Ac 1mol L 1故有解得 x 1 0moly 0 5mol HAc NaOH的质量分别为60g 20g 2020 3 26 补例3 解题思路 1 配制pH 5 00的缓冲溶液 H 1 0 10 5mol L 1由得故NaAc 3H2O的质量为 0 352 136 0 500 23 94 g 2 设需要6molHac溶液为xml则 6 0 x 0 2 500 x 16 67ml 3 称取的质量分别为23 94gNaAc 3H2O于烧杯中 加入少量的蒸馏水溶解 再加16 67ml6mol L 1HAc溶液 加蒸馏水至500ml 摇匀即可得到pH 5 00ml的缓冲溶液 2020 3 26 3 4缓冲溶液的配制DesigningandPreparationofBuffers 根据Henderson Hasselbaleh方程式配制的缓冲溶液的pH是近似的 为了能准确而又方便地配制所需pH的缓冲溶液 科学家们经过精密细致的研究 制订了许多配制准确pH缓冲溶液的配方 根据这些现成的配方进行配制 就可得到所需pH的缓冲溶液 2020 3 26 第5节常用的缓冲溶液Buffersolutionmostinuse 1 校正PH用的基准溶液在一定温度下其