医用化学 第4章 缓冲溶液

1、2010级临床医学级临床医学7-8班，班，9-13-14班班参考教材：基础化学（第参考教材：基础化学（第7版），人民版），人民卫生出版社卫生出版社第四章第四章 缓冲溶液缓冲溶液Buffer Solution学习内容学习内容1. 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制 缓冲溶液及其作用机制缓冲溶液及其作用机制 缓冲溶液的组成缓冲溶液的组成2. 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 缓冲溶液缓冲溶液pH的近似计算公式的近似计算公式 缓冲溶液缓冲溶液pH计算公式的校正计算公式的校正3. 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围 缓冲容量缓冲容量 影响缓冲容量的因素及缓冲范围影响缓冲容量的因素及缓冲范围学习内容

2、学习内容4. 4. 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制 常用缓冲溶液的配制方法常用缓冲溶液的配制方法 标准缓冲溶液标准缓冲溶液5. 5. 血液中的缓冲系血液中的缓冲系学习要求学习要求掌握缓冲溶液的概念、组成和缓冲机理。掌握缓冲溶液的概念、组成和缓冲机理。掌握影响缓冲溶液掌握影响缓冲溶液pH的因素、应用的因素、应用Henderson-Hasselbalch方程式计算缓冲溶液的方程式计算缓冲溶液的pH值。值。掌握缓冲容量的概念、影响因素及有关计算。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和方法。了解医学上常熟悉配制缓冲溶液的原则和方法。了解医学上常用缓冲溶液配方和标准缓冲溶液。用缓

3、冲溶液配方和标准缓冲溶液。熟悉血液中的主要缓冲系及在稳定血液熟悉血液中的主要缓冲系及在稳定血液pH过程中过程中的作用。的作用。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制演示实验演示实验样品样品1，0.10 molL-1 NaCl溶液溶液 样品样品2，含含 HAc 和和 NaAc 均为均为0.10 molL-1的混合液的混合液操作操作（1）滴加强酸滴加强酸 HCl 至至c(HCl)=0.010 molL-1操作操作（2）滴加强碱滴加强碱NaOH 至至c(NaOH)=0.010 molL-1观察现象：观察现象：pH的变化程度的变化程度第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制结论结

4、论 （1）HAc NaAc 混合溶液具有抵抗外来少混合溶液具有抵抗外来少量强酸、强碱而保持量强酸、强碱而保持pH基本不变的能力。基本不变的能力。（2）在大量的外来酸碱作用下，）在大量的外来酸碱作用下，pH最终改变，最终改变，说明其抵抗力是有限度的。说明其抵抗力是有限度的。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制一一缓冲溶液及其作用机制缓冲溶液及其作用机制1.缓冲溶液（缓冲溶液（buffer solution）能够抵抗外来少量强酸、强碱，或少量稀能够抵抗外来少量强酸、强碱，或少量稀释时可保持其释时可保持其pH基本不变的溶液。基本不变的溶液。2.缓冲作用（缓冲作用（buffer acti

5、on）缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制缓冲原理：以缓冲原理：以HAc-Ac-体系为例体系为例 共轭酸共轭酸 共轭碱共轭碱 HAc + H2O Ac- + H3O+纯纯HAc液：液： 0.1mol.L-1 0.00132mol.L-1 大量大量 微量微量HAc-NaAc：0.1mol.L-1 0.1 mol.L-1 大量大量 大量大量 (人为配制)第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制缓冲原理：以缓冲原理：以HAcAc-体系为例体系为例n抗酸。侵入少量强酸时，共轭碱Ac-接收外来H+，平衡左

6、移，使得溶液H+浓度变化甚微。n抗碱。侵入少量强碱时，OH-与H3O+结合，平衡右移，共轭酸补充消耗掉的H3O+离子，也使得溶液H+浓度变化甚微。n稀释。假设稀释一倍：正向速率VK.1/2.HAc 逆向速率：VK.1/2.H3O+.1/2.Ac-HAc + H2OH3O+ + Ac-第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制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缓冲溶液中，同时含有较大量的抗碱成分和抗酸成分，对抗的只是外来的少量强酸、强碱。酸成分，对抗的只是外来的少量强酸、强碱。缓冲作用的一般原理，就是弱电解质的解离平缓冲作用的一般原理，就是弱电解质的解离平衡的移动原理。衡的移

7、动原理。共轭酸是抗碱成分；共轭碱是抗酸成分。共轭酸是抗碱成分；共轭碱是抗酸成分。第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制二二缓冲溶液的组成缓冲溶液的组成一般由具有足够浓度和一定比例的共轭一般由具有足够浓度和一定比例的共轭酸碱对的两种物质组成。共轭酸称为抗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。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组成缓冲溶液的共轭酸碱对的两种物质合称为缓冲系合称为缓冲系(buffer system)或缓冲对或缓冲对(buffer pair)。共轭酸共轭酸共轭碱共轭碱HAcNH4ClH2PO4-NaAcNH3H2OHPO4

8、2-抗抗酸酸成分成分缓冲系缓冲系抗抗碱碱成分成分组成示意图组成示意图第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制常见的缓冲系常见的缓冲系 质子转移平衡HAc+H2O Ac-+H3O+H2CO3+ H2O HCO3-+H3O+H3PO4+H2O H2PO4-+H3O+TrisH+H2O Tris+H3O+H2C8H4O4+H2O HC8H4O4-+H3O+NH4+H2O NH3+H3O+CH3NH3+H2O CH3NH2+H3O+H2PO4-+H2O HPO42-+H3O+HPO42-+H2O PO43-+H3O+缓冲系HAc-NaAcH2

9、CO3-NaHCO3H3PO4-NaH2PO4TrisHCl -TrisH2C8H4O4- KHC8H4O4NH4Cl - NH3CH3NH3+Cl - CH3NH2NaH2PO4- Na2HPO4Na2HPO4- Na3PO4质子转移平衡HAc+H2O Ac-+H3O+H2CO3+ H2O HCO3-+H3O+H3PO4+H2O H2PO4-+H3O+TrisH+H2O Tris+H3O+H2C8H4O4+H2O HC8H4O4-+H3O+NH4+H2O NH3+H3O+CH3NH3+H2O CH3NH2+H3O+H2PO4-+H2O HPO42-+H3O+HPO42-+H2O PO43-+

10、H3O+缓冲系HAc-NaAcH2CO3-NaHCO3H3PO4-NaH2PO4TrisHCl -TrisH2C8H4O4- KHC8H4O4NH4Cl - NH3CH3NH3+Cl - CH3NH2NaH2PO4- Na2HPO4Na2HPO4- Na3PO4Tris：三羟甲基氨基甲烷 分子式：分子式：C4H11NO3 示性式：示性式：C(CH2OH)3NH2 结构式：结构式：第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制 常见缓冲溶液的组成常见缓冲溶液的组成（1 1）弱酸及其次级盐）弱酸及其次级盐（2 2）弱碱及其次级盐）弱碱及其次级盐（3 3）多元弱酸）多元弱酸( (碱碱) )的两种

11、相邻盐的两种相邻盐（4 4）多元弱酸的一种酸式盐）多元弱酸的一种酸式盐（5 5）较浓的强酸或强碱溶液）较浓的强酸或强碱溶液第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制在实际应用中，还采用酸碱反应的生成物与剩余的反应物组成缓冲系。弱酸（过量）+ 强碱弱碱（过量）+ 强酸 优点： HCl 和 NaOH 溶液常备试剂，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。第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算一一缓冲溶液缓冲溶液pH值的近似计算公式值的近似计算公式1、HendersonHasselbalch方程式方程式 以以HB

12、代表弱酸，并与代表弱酸，并与B-组成缓冲溶液。组成缓冲溶液。 -aaB pH p lg = pK + lgHBK共轭碱共轭酸HB + H2OH3O+ + B-3aH OBKHB3aHBH OKB第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 2.HendersonHasselbalch方程式的意义方程式的意义 缓冲溶液的缓冲溶液的pH首先取决于首先取决于pKa pKa值一定，其值一定，其pH随着缓冲比随着缓冲比B-/HB的改变的改变而改变。当缓冲比等于而改变。当缓冲比等于l时，时，pH等于等于pKaHBBlg p pH-a K第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 3.Henderso

13、nHasselbalch方程式的应用方程式的应用HB在溶液中只少部分解离，且因在溶液中只少部分解离，且因B-的同离子效的同离子效应，使应，使HB几乎完全以分子状态存在。所以几乎完全以分子状态存在。所以HBBlg p pH-a KHB)()B(lg p pH-accK 第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 由于由于 c = n/V，所以，所以-a(B )pH p lg (HB)cKc-()a()(B )/ p lg (HB)/nVKnV溶液溶液-a(B )pH p lg(HB)nKn第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 根据根据 n = cV，若取储备液，若取储备液 c(B-

14、) = c(HB)-a(B )pH p lg(HB)nKn-a(B ) (B ) p lg(HB) (HB)nVKnV-a(B )pH p lg(HB)VKV第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 例例 将将20 mL 0.10 molL-1 的的 H3PO4溶液与溶液与 30 mL 0.10 molL-1 的的 NaOH溶液混合，求所得缓冲溶液的溶液混合，求所得缓冲溶液的pH=？已知：？已知：pKa1=2.16, pKa2=7.21, pKa3=12.32。解解:7.21 1.0mmol1.0mmollg7.21 POHHPOlg p pH42-24a2K H3PO4 + NaOH

15、Na2HPO4 + H2O反应前 200.10mmol 300.10mmol 反应后 1.0mmol 1.0mmol Na2HPO4 + NaOH NaH2PO4 + H2O反应前 2.0mmol 1.0mmol 反应后 1.0mmol 1.0mmol第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 二二缓冲溶液的稀释值缓冲溶液的稀释值 缓冲溶液加水稀释时，缓冲溶液加水稀释时，c(B-)与与c(HB)的比的比值不变，值不变，pH的计算值也不变。的计算值也不变。 但稀释会引起溶液离子强度的改变，使但稀释会引起溶液离子强度的改变，使HB和和B-的活度因子受到不同程度的影响，因的活度因子受到不同程度的

16、影响，因此缓冲溶液的此缓冲溶液的pH值也随之有微小的改变。值也随之有微小的改变。 HB)()B(lg p pH-accK 第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 因稀释而引起缓冲溶液因稀释而引起缓冲溶液pH值的变化用稀释值值的变化用稀释值表示，当缓冲溶液的浓度为表示，当缓冲溶液的浓度为c时，加入等体积时，加入等体积纯水稀释，稀释后与稀释前的纯水稀释，稀释后与稀释前的pH值之差定义值之差定义为稀释值，符号为为稀释值，符号为pH1/2 稀释值稀释值0，表明缓冲溶液的，表明缓冲溶液的pH值随稀释值随稀释而增加；稀释值而增加；稀释值0，则表明缓冲溶液的，则表明缓冲溶液的pH值值随稀释而减少。随

17、稀释而减少。cc/21/2pH pH pH第二节第二节 缓冲溶液缓冲溶液pH的计算的计算 稀释值pH1/2/pH单位C总总(mo1L-1)z0(如如HAc-Ac-)z+1(如如NH4+-NH3)z-1(如如H2P04-HPO42-)0.10.028-0.0250.1050.050.023-0.0230.0960.0250.019-0.0190.0820.020.017-0.0170.0790.010.013-0.0130.0650.0050.010-0.0100.0470.00250.007-0.0070.040第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围一、缓冲容量一、缓冲容量 当加入

18、过量的强酸或强碱，缓冲溶液的当加入过量的强酸或强碱，缓冲溶液的pH将将发生较大变化，失去缓冲能力。用缓冲容量发生较大变化，失去缓冲能力。用缓冲容量作为作为衡量缓冲能力大小的尺度。定义为衡量缓冲能力大小的尺度。定义为pH dpH d)b(a)b(aVnVn越大，说明缓冲溶液的缓冲能力越强。越大，说明缓冲溶液的缓冲能力越强。第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围二、影响缓冲容量的因素二、影响缓冲容量的因素 1） 缓冲比的影响缓冲比的影响 2）总浓度）总浓度c总总HB+B-的影响的影响 BHBBHBBBHBHB303. 2第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围三、最大缓冲容量

19、三、最大缓冲容量max 缓冲比越接近缓冲比越接近1，缓冲容量越大；缓冲比等于，缓冲容量越大；缓冲比等于1时，时，有最大缓冲容量。有最大缓冲容量。总c 576. 0BHB2121303. 2max BHBBHBBBHBHB303. 2第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围四、缓冲范围四、缓冲范围 pH=pKa1变化范围称为缓冲范围。变化范围称为缓冲范围。1ppH ppH 1-ppH :pH110 11 101 aaamaxKKK缓冲比：减小减小第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围缓冲容量缓冲容量与与pH的关系的关系（1）HCl（2）0.1 molL-1 HAc+NaOH

20、（3）0.2 molL-1 HAc+NaOH（4）0.05 molL-1 KH2PO4+NaOH（5）0.05 molL-1 H2BO3+NaOH（6）NaOH第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围例 将将0.20molL-1HB溶液和溶液和0.20molL-1 B-溶液溶液 以以9:1的体积比混合，计算缓冲系的缓冲容量。的体积比混合，计算缓冲系的缓冲容量。解： 当当V(HB):V(B-)=9:1时时c(HB)= c(B-)= 11-1Lmol18. 0199Lmol20. 0)B()(HB)HB(L0.20molVVV11-1Lmol020. 0191Lmol20. 0)B()(

21、HB)B(L0.20molVVV11111Lmol041. 0Lmol020. 0Lmol18. 0Lmol020. 0Lmol18. 0303. 2第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制一、配制方法一、配制方法1选择合适的缓冲系：选择合适的缓冲系：（1）pH在在pKa1缓冲范围内并尽量接近弱酸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。）缓冲系的物质必须对主反应无干扰。2配制的缓冲溶液的总浓度要适当：配制的缓冲溶液的总浓度要适当： 一般总浓度一般总浓度0.05molL-10.2molL-1。3计算所需缓冲系的量：计算所需缓冲系的量： 根据根据Henderson-

22、Hasselbalch方程计算。方程计算。4校正：校正： 需在需在pH计监控下，对所配缓冲溶液的计监控下，对所配缓冲溶液的pH校正。校正。第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制例例 如何配制如何配制pH=5.00的缓冲溶液的缓冲溶液100mL?解解 (1)(1) 选择缓冲系（表选择缓冲系（表4-14-1） 由于由于HAc的的pKa= 4.76，接近所配缓冲溶液，接近所配缓冲溶液pH=5.00，所以可选用所以可选用HAc-Ac-缓冲系。缓冲系。(2)(2) 确定总浓度，计算所需缓冲系的量确定总浓度，计算所需缓冲系的量 一般具备中等缓冲能力一般具备中等缓冲能力 (0.050.2molL-1)即

23、可即可，并考虑计算方便，选用并考虑计算方便，选用0.10molL-1的的HAc和和0.10molL-1 NaAc溶液。应用式溶液。应用式(4.5)(4.5)可可得得第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制设设 V(NaAc) = x mL则则 ： V(NaAc) = x mL = 64mLV(HAc)= 100mL - 64mL= 36mL(HAc)(AclgppHaVVK240100lg.xxmL )100(mL lg76. 400. 5xx第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制例例 配制配制1L pH=10.0的的NH3-NH4Cl缓冲溶液，已用去缓冲溶液，已用去350mL 15mo

24、lL-1氨水，问需氯化铵多少克？已知氨水，问需氯化铵多少克？已知Kb(NH3)=1.810-5 ，M(NH4Cl)=53.5g mol-1解解 pKa9.25 m(NH4Cl) = 50g105144106 . 5108 . 1100 . 1)NH(aK141molg5 .53/ )ClNH(L35. 0Lmol15lgp0 .10mKa第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制二、标准缓冲溶液二、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，用来校准释能力，用来校准pH计。计。第五节第五节 血液中的血液中的缓冲系缓冲系一一 体液中

25、存在多种生理缓冲系，使体液的体液中存在多种生理缓冲系，使体液的pH保持保持基本稳定基本稳定例如：血液的例如：血液的pH保持在保持在7.357.45之间之间 血浆中血浆中:H2CO3 -HCO3- 、H2PO4-HPO42- 、HnP-Hn-1P-红细胞中：红细胞中：H2b-Hb-(血红蛋白血红蛋白)、H2bO2-HbO2-(氧合血红蛋白氧合血红蛋白)H2CO3-HCO3-、H2PO4-HPO42-第五节第五节 血液中的缓冲系血液中的缓冲系 上述缓冲系中，碳酸缓冲系的浓度最高，在维持血上述缓冲系中，碳酸缓冲系的浓度最高，在维持血液液pH的正常范围中发挥的作用最重要。的正常范围中发挥的作用最重要。 来源于呼吸作用的二氧