基础化学第八版第四章ppt课件

1 基础化学 第四章缓冲溶液 BufferSolution 内容提要 1 缓冲溶液及缓冲机制 缓冲溶液及其作用机制 缓冲溶液的组成2 缓冲溶液pH的计算 缓冲溶液pH的近似计算公式 缓冲溶液pH计算公式的校正3 缓冲容量和缓冲范围 缓冲容量 影响缓冲容量的因素 缓冲范围 内容提要 4 缓冲溶液的配制 常用缓冲溶液的配制方法 标准缓冲溶液5 血液中的缓冲系 教学基本要求 掌握缓冲溶液的概念 组成和作用机制 掌握影响缓冲溶液pH的因素 应用Henderson Hasselbalch方程式计算缓冲溶液的pH值 掌握缓冲容量的概念 影响因素及有关计算 熟悉配制缓冲溶液的原则 方法和步骤 了解医学上常用缓冲溶液配方和标准缓冲溶液的组成 熟悉血液中的主要缓冲系及其在稳定血液pH过程中的作用 第一节缓冲溶液及缓冲机制 实验样品1 0 10mol L 1NaCl溶液样品2 含HAc和NaAc均为0 10mol L 1的混合溶液操作 滴加强酸HCl至c HCl 0 010mol L 1观察现象 pH的变化 第一节缓冲溶液及缓冲机制 0 10mol L 1NaCl溶液 NaCl溶液中加入HCl到0 010mol L 1 溶液的pH由7变为2 改变了5个pH单位 第一节缓冲溶液及缓冲机制 0 10mol L 1HAc 0 10mol L 1NaAc溶液 0 10mol L 1HAc 0 10mol L 1NaAc溶液溶液中加入HCl到0 010mol L 1 溶液的pH由4 75变为4 74 改变仅0 01pH单位 第一节缓冲溶液及缓冲机制 结论HAc NaAc混合溶液具有抵抗外来少量强酸 强碱而保持pH基本不变的能力 第一节缓冲溶液及缓冲机制 一 缓冲溶液及其作用机制缓冲溶液 buffersolution 能够抵抗少量外来强酸 强碱 或在有限量稀释时 保持其pH基本不变的溶液 缓冲作用 bufferaction 缓冲溶液对强酸 强碱或稀释的抵抗作用 第一节缓冲溶液及缓冲机制 以HAc Ac 体系为例当加入少量强酸时 增加的H3O 与Ac 作用 质子转移平衡左移 溶液的pH保持基本不变 当加入少量强碱时 加入的OH 与H3O 结合 质子转移平衡右移 补充消耗掉的H3O 离子 而溶液的pH保持基本不变 第一节缓冲溶液及缓冲机制 用质子转移平衡式表示加少量强酸 H3O Ac HAc H2O 大量 加少量强碱 H3O OH 2H2OHAc H2OAc H3O 大量 HAc OH Ac H2O 抗碱成分 抗酸成分 示意图 第一节缓冲溶液及缓冲机制 第一节缓冲溶液及缓冲机制 结论 缓冲溶液中同时含有较大量的抗碱成分和抗酸成分 分别抵抗的只是外来的少量强酸 强碱 通过共轭酸碱对的质子转移平衡的移动 使溶液中H 离子或OH 离子浓度无明显的变化 因此具有缓冲作用 第一节缓冲溶液及缓冲机制 二 缓冲溶液的组成一般由具有足够浓度和适当比例的共轭酸碱对的两种物质组成 共轭酸称为抗碱成分 共轭碱称为抗酸成分 组成缓冲溶液的共轭酸碱对的两种物质合称为缓冲系 buffersystem 或缓冲对 bufferpair 共轭酸 共轭碱 HAcNH4ClH2PO4 NaAcNH3 H2OHPO42 抗酸成分 缓冲系 抗碱成分 组成示意图 第一节缓冲溶液及缓冲机制 第一节缓冲溶液及缓冲机制 常见的缓冲系 第二节缓冲溶液pH的计算 一 缓冲溶液pH的近似计算公式1 基本公式Henderson Hasselbalch方程式弱酸 HB 及其共轭碱 B 组成的缓冲溶液中 第二节缓冲溶液pH的计算 2 Henderson Hasselbalch方程式的应用由于缓冲溶液中存在同离子效应 B c B HB c HB 所以 第二节缓冲溶液pH的计算 由于c n V 所以 第二节缓冲溶液pH的计算 根据n cV 若取储备液c B c HB 第二节缓冲溶液pH的计算 3 缓冲溶液pH计算公式的意义缓冲溶液的pH主要取决于Ka 温度对Ka有影响 pKa值一定 其pH随着缓冲比 B HB 的改变而改变 当缓冲比等于l时 pH等于pKa 缓冲溶液稀释时 B HB 比值基本不变 pH基本不变 上述公式只适用于缓冲溶液pH的近似计算 第二节缓冲溶液pH的计算 例在500mL0 200mol L 1NH3溶液中 加入4 78gNH4Cl固体 配制1L缓冲溶液 求此缓冲溶液的pH 解查表4 1 NH3 H2O的pKb 4 75 则的pKa 14 00 4 75 9 25c NH3 0 200mol L 1 2 0 100mol L 1pH pKa 第二节缓冲溶液pH的计算 例柠檬酸 缩写H3Cit 及其盐是一种供细菌培养的常用缓冲体系 用0 100mol L 1NaH2Cit溶液与0 050mol L 1NaOH溶液等体积混合 求此缓冲溶液的pH 解H3Cit的pKa1 3 13 pKa2 4 76 pKa3 6 40 过量H2Cit 与OH 反应 H2Cit aq OH aq HCit2 aq H2O l 剩余的H2Cit 与生成的HCit2 组成缓冲系c H2Cit 0 100 0 050 mol L 1 2 0 025mol L 1c HCit2 0 050mol L 1 2 0 025mol L 1 第三节缓冲容量和缓冲范围 一 缓冲容量缓冲溶液的缓冲能力是有一定限度的 当加入过量的强酸或强碱 缓冲溶液的pH将发生较大变化 失去缓冲能力 用缓冲容量 作为衡量缓冲能力大小的尺度 定义为 愈大 说明缓冲溶液的缓冲能力愈强 第三节缓冲容量和缓冲范围 二 影响缓冲容量的因素缓冲容量与缓冲溶液的总浓度c总 c总 HB B 及 B HB 的关系 第三节缓冲容量和缓冲范围 结论 缓冲容量与总浓度和缓冲比有关 总浓度的影响 当缓冲比一定时 c总愈大 缓冲容量 愈大 通常c总在0 05 0 2mol L 1之间 缓冲比的影响 当总浓度一定时 缓冲比愈接近1 缓冲容量 愈大 缓冲比等于1时 缓冲容量有最大值 第三节缓冲容量和缓冲范围 三 缓冲范围pH pKa 1变化范围称为有效缓冲范围 第三节缓冲容量和缓冲范围 缓冲容量与pH的关系 1 HCl KCl 2 0 1mol L 1HAc NaOH 3 0 2mol L 1HAc NaOH 4 0 05mol L 1KH2PO4 NaOH 5 0 05mol L 1H2BO3 NaOH 6 NaOH KCl 第三节缓冲容量和缓冲范围 例将0 20mol L 1HB溶液和0 20mol L 1B 溶液以9 1的体积比混合 计算缓冲系的缓冲容量 解 用相同浓度的共轭碱和共轭酸配制缓冲溶液时 其体积比等于缓冲比 取aV体积HB溶液与bV体积B 溶液混合 则 B HB b a c总 HB B 0 20mol L 1 当a b 9 1时 第四节缓冲溶液的配制 一 缓冲溶液的配制方法 一 配制原则和步骤1 选择合适的缓冲系 1 pH在pKa 1缓冲范围内并尽量接近弱酸pKa 2 缓冲系的物质必须对主反应无干扰 2 所配缓冲溶液的总浓度要适当一般总浓度0 05mol L 1 0 2mol L 1 3 计算所需缓冲系的量根据Henderson Hasselbalch方程计算 4 校正需在pH计监控下 对所配缓冲溶液的pH校正 第四节缓冲溶液的配制 二 常用配制方法1 为操作方便 常用相同浓度的共轭酸碱配制缓冲溶液 2 可采用过量弱酸 碱 与强碱 酸 反应组成缓冲系 如 HAc aq 过量 NaOH aq NaAc aq H2O l 优点 HCl和NaOH溶液为常备试剂 容易获得 弱酸或弱碱的浓度即缓冲系的总浓度 通常缓冲溶液的pH需要在pH计监控下调整 滴加强碱 酸易于操作 第四节缓冲溶液的配制 例如何配制pH 4 50的缓冲溶液1000mL 解 1 选择缓冲系由于HAc的pKa 4 756 接近所配缓冲溶液pH 4 50 所以可选用HAc Ac 缓冲系 2 确定总浓度 计算所需缓冲系的量一般要求具备中等缓冲能力即可 并考虑计算方便 选用0 10mol L 1的HAc和0 10mol L 1NaAc溶液 应用式 4 5 可得 第四节缓冲溶液的配制 设V NaAc xmL则 V Ac xmL 355mLV HAc 1000mL 355mL 645mL 第四节缓冲溶液的配制 例pH接近于7 0的磷酸盐缓冲溶液常用来培养酶 现采用H3PO4与NaOH溶液混合配制pH 6 90的缓冲溶液 在450mL0 10mol L 1的H3PO4溶液中 应加入多少mL0 10mol L 1NaOH溶液 已知H3PO4的pKa1 2 16 pKa2 7 21 pKa3 12 32 忽略溶液体积加合引起的体积变化 解根据配制原则 应选 缓冲系 质子转移反应分两步进行 1 H3PO4 aq NaOH aq NaH2PO4 aq H2O l 2 NaH2PO4 aq NaOH aq Na2HPO4 aq H2O l 第四节缓冲溶液的配制 1 H3PO4 aq NaOH aq NaH2PO4 aq H2O l 将H3PO4完全中和生成NaH2PO4 需0 10mol L 1NaOH450mL 并生成NaH2PO4450mL 0 10mol L 1 45mmol 2 NaH2PO4 aq NaOH aq Na2HPO4 aq H2O l 设中和部分NaH2PO4需NaOH溶液的体积V NaOH xmL 则生成Na2HPO40 10 xmmol 剩余NaH2PO4 45 0 10 x mmol 解得x 148共需NaOH溶液的体积为 450mL 148mL 598mL 第四节缓冲溶液的配制 二 标准缓冲溶液标准缓冲溶液性质稳定 有一定的缓冲容量和抗稀释能力 用来校准pH计 第五节血液中的缓冲系 一 血液中存在的缓冲系血浆中 H2CO3 HCO3 H2PO4 HPO42 HnP Hn 1P 红细胞中 H2b Hb 血红蛋白 H2bO2 HbO2 氧合血红蛋白 H2CO3 HCO3 H2PO4 HPO42 因为血液中存在多种缓冲系 以及在肾 肺共同协调作用下 所以其pH保持在7 35 7 45之间 第五节血液中的缓冲系 上述缓冲系中 碳酸缓冲系的浓度最高 在维持血液pH的正常范围中发挥的作用最重要 来源于呼吸作用的二氧化碳溶于血液生成的碳酸 与其离解产生的碳酸氢根离子 以及血液中贮存的碳酸氢根离子达成平衡 CO2 H2O B H 第五节血液中的缓冲系 第五节血液中的缓冲系 当体内酸性物质增加 HCO3 与H3O 结合 平衡左移 体内碱性物质增加时 H3O 结合OH H2CO3 CO2溶解 解离 平衡右移 pH明显改变 HCO3 在一定程度上可以代表血浆对体内所产生的酸性物质的缓冲能力 所以常将血浆中的HCO3 称为碱储 若血液的pH小于7 35 则会发生酸中毒 acidosis 若pH大于7 45 则发生碱中毒 alkalosis 若血液