缓冲溶液

1,第四章 缓冲溶液,Buffer Solution,2,内 容,第一节 缓冲溶液及缓冲机制 一、缓冲溶液的缓冲作用和组成 二、缓冲机制第二节 缓冲溶液pH的计算 一、缓冲溶液pH的近似计算公式第三节 缓冲溶液的配制,3,基本要求,掌握缓冲溶液的概念、组成，熟悉缓冲作用的机理；掌握缓冲溶液pH计算公式及有关缓冲溶液pH的计算；掌握缓冲溶液的配制原则、方法和步骤。,4,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,实验现象：,5,一、缓冲溶液及其组成,1缓冲溶液（buffer solution）：能抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释，而保持其pH基本不变的溶液。,2缓冲作用（buffer action）：缓冲溶液能抵抗外来少量强酸、强碱或稀释，而保持其pH基本不变的作用，称为缓冲作用。,6,3缓冲溶液的组成：,HAcNaAc，H2CO3NaHCO3,NH4Cl NH3,NaH2PO4Na2HPO4,共轭酸碱对,另外较浓的强酸（酸度103 molL1）或较浓的强碱（碱度103 molL1）溶液也具有缓冲作用，但它们没有抗稀释能力，且由于这类溶液的酸性或碱性太强，实际工作中很少用作缓冲溶液。,缓冲溶液一般是由足够浓度的共轭酸碱对两种物质、按适当比例组成的。,如：,7,4缓冲系或缓冲对：组成缓冲溶液共轭酸碱对的两种物质合称为缓冲系（buffer system）或缓冲对(buffer pair)。,常见的缓冲系：,在实际应用中，往往可采用酸碱反应的生成物与剩余的反应物组成缓冲系，实际上它们形成的仍然是共轭酸碱对的两种物质。,如：,弱酸（过量）+ 强碱：HAc（过量）+ NaOH,强酸+弱酸的共轭碱（过量）： HCl+NaAc（过量）,较浓的强酸或较浓的强碱溶液中无缓冲对。,8,二、缓冲机制,1较浓的强酸或较浓的强碱溶液,2由缓冲对构成的缓冲溶液,共轭酸、共轭碱的浓度较大；二者之间存在着质子传递平衡；质子传递平衡的移动。,以HAcNaAc为例说明：,机制：酸碱中和反应,机制：,9,二、缓冲机制,抗酸成分,抗碱成分,当加入少量强碱时： OH与H作用，平衡右移 ， HAc略减小，Ac略增大， H没有明显减少，pH基本保持不变,当加入少量强酸时： Ac与H作用，平衡 左移 ， HAc略增大，Ac略减小，H没有明显增多，pH基本保持不变,10,二、缓冲机制,当加入少量强酸(H3O+),平衡移动方向,当加入少量强碱(OH-),抗酸成分,抗碱成分,结论：共轭碱为抗酸成分，共轭酸为抗碱成分；,缓冲作用是在有足量的抗酸成分和抗碱成分共存的缓冲体系中，通过共轭酸碱对之间的质子转移平衡移动来实现的。,少量水,稀释,11,第二节 缓冲溶液pH的计算,以HBB为例进行公式推导,忽略水的质子传递平衡，则 ：,12,缓冲公式,1. 公式,Henderson-Hasselbalch方程式（亨哈方程）,式中pKa为共轭酸酸常数的负对数，HB、B分别为缓冲溶液中共轭酸、共轭碱的平衡浓度。,HBB为总浓度 c总，B/HB为缓冲比（buffer-component ratio）。,13,公式,实际应用时,式中c（B-）、c（HB）分别为缓冲溶液中共轭酸、共轭碱的分析浓度（or 初始浓度。原因：由于同离子效应的存在，HB解离很少，溶液中的HB和B-浓度与初始浓度没有大的差别）。,用此式可不必计算出在缓冲溶液中c(HB)和c(B)的实际浓度，只需要计算出n(HB)和n(B)，因此使计算更简便。,14,公式,若使用相同浓度的共轭酸、共轭碱即c（B，初始）= c（HB ，初始）混合，则有,15,2讨论（影响缓冲溶液pH的因素）,（1）缓冲溶液的 pH 主要取决于共轭酸的 pKa，其次取决于缓冲比。,pKa一定缓冲溶液的pH随着缓冲比的改变而改变。当缓冲比等于 1 时，pH = pKa,（2）T 对pH的影响 （比较复杂，不讨论）,（3）稀释对pH的影响 （少量稀释，影响小）,16,此题注意pKa应为共轭酸的pKa,3例题,1.) 在500 mL 0.20 molL1NH3溶液中，加入4.78g NH4Cl 固体，配制1L缓冲溶液。计算此缓冲溶液的pH。已知pKb(NH3) = 4.75,解：,此混合溶液的缓冲系为NH4NH3 ,17,2. ) pH 接近于7.0 的磷酸盐缓冲溶液常用来培养酶，某种酶仅能存在于pH 为6.907.15 的培养液中。求（1）含有0.225molL1 HPO42和0.330molL1 H2PO4的溶液的pH。（2）若在250mL 该溶液中分别加入0.20 g 及（3）0.40g NaOH 固体，酶会分解吗？已知H3PO4的pKa1=2.12，pKa2=7.21，pKa3=12.67,解：,此混合溶液的缓冲系为H2PO4HPO42,18,（2）加入0.20 g NaOH后,（3）略,注意pKa的选择；（2）、（3）中共轭酸共轭碱量的变化,19,已知缓冲溶液Ka，共轭酸碱的量，求加入少量强酸、强碱pH?,结论: 加酸碱前: 加酸后: 加碱后:,20,例 3 0.20 molL1的HAc 100 mL与0.20 molL1的NaOH 50 mL混合，pH=？,解：,21,两种溶液混合求pH 两种溶液混合，c改变,注意：,22,第三节 缓冲范围,当缓冲溶液的总浓度一定时，缓冲比愈接近1，缓冲容量愈大；缓冲比愈远离1时，缓冲容量愈小。当缓冲比大于101或小于110时，可认为缓冲溶液已基本失去缓冲作用的能力。一般认为，缓冲比在1:1010:1范围内，缓冲溶液才能有效发挥缓冲作用。此时对应的pH范围是(pKa1)(pKa1)。 pH pKa1为缓冲作用的有效区间，称为缓冲溶液的缓冲范围。,提示：B/HB为缓冲比（buffer-component ratio）。,23,第四节 缓冲溶液的配制,、缓冲溶液的配制方法,配制原则和步骤：,1选择合适的缓冲系 2确定合适的总浓度3计算用量4配制5校正,原则,24,1选择合适的缓冲系,选择缓冲系要考虑两个因素：一个是所选缓冲系共轭酸的pKa应尽量接近所需配制的缓冲溶液的pH（且pH在所选缓冲系的缓冲范围(pKa1)之内），这样所配制的缓冲溶液可有较大缓冲容量。另一个是所选缓冲系物质必须对主反应无干扰，不能与溶液中的反应物或生成物发生作用。,25,2确定合适的总浓度,在实际工作中，一般选用总浓度在0.050.2 molL1范围内。,总浓度太低，缓冲容量过小；总浓度太高，一方面离子强度太大或渗透压力过高而不适用，另一方面造成试剂的浪费。,3计算用量,选择好缓冲系后，可根据缓冲公式计算所需共轭酸、共轭碱的量。,4配制,根据计算结果把共轭酸、碱溶液混合，就可配成一定体积所需 pH 的缓冲溶液。,26,5校正,若要求精确配制时， 可用 pH 计对所配制缓冲溶液的 pH 进行校正。,27,例 题,如何配制pH = 4.50 的缓冲溶液1000 mL?,解：,（1）选择缓冲系：查表4-1，HAc 的pKa 4.75，接近于所配缓冲溶液的pH，选用HAcAc缓冲系。,（2）确定总浓度：一般要求具备中等缓冲能力，并考虑计算方便，选用0.10 molL1的HAc 和0.10molL1NaAc 溶液，设所需NaAc的体积为V(NaAc)，,两种溶液浓度相同，则c总= cHB = cB- ?,28,注意总浓度的计算,例 题,用1.00 molL1 NaOH中和1.00molL1丙酸的方法，如何配制1000mL总浓度为0.100 molL1pH = 5.00的缓冲溶液？已知丙酸的pKa = 4.87,解：,总浓度为0.100 molL1,需1.00molL1丙酸10000.100=100mL,设需1.00 molL1 NaOH x mL,HPr NaOH =NaPrH2O,反应前 1001.00 1.00x 0 mmol,反应后 1001.00x 0 1.00x mmol,解之得 x = 57.4 mL,量取，混合，加水稀释定容1000mL，即得,如何校正？,弱酸（过量）+强碱,29,用0.020molL1H3PO4 溶液和0.020mol/L NaOH 溶液配制pH=7.40 的生理缓冲溶液100mL，需H3PO4 和NaOH 溶液各多少毫升？,解：,由题意知，缓冲系为H2PO4HPO42,设需H3PO4 x mL，需NaOH y mL,则混合后,n(Na2HPO4)=0.020y0.020x,n(NaH2PO4)=0.020x(0.020y0.020x),=20.020x0.020y,则,解之得,弱酸（过量）+强碱,例题,30,实际应用中,常利用现成的配方（或商业销售产品）进行配制，再进行校正 。,31,二、标准缓冲溶液,1作用：用于校正仪器（如校正pH计）,2温度系数的说明 (pH随温度升高而增大（系数0）或减小（系数0）),3缓冲机制,本身为两性物质：饱和酒石酸氢钾(两性离子) 两对缓冲系: H2C4H4O6 (pKa= 2.98) HC4H4O6- HC4H4O6- (pKa= 4.30) C4H4O62- 缓冲范围部分重叠，增强了缓冲能力 化合物的组成含一对缓冲对： Na2B4O710H2O Na2B4O7 + H2O 2NaBO2 + 2HBO2,32,第五节 血液中的缓冲系,pH7.35 酸中毒,血液pH范围： 7.357.45,pH7.45 碱中毒,1血液中存在的主要缓冲系,血浆中：H2CO3HCO3- H2PO4-HPO42- HnP (蛋白质) Hn-1P-,H2CO3HCO3-,红细胞中: H2CO3HCO3- H2bHb-(血红蛋白) H2