基础化学 第四章 缓冲溶液

1、第四章第四章 缓冲溶液缓冲溶液医科基础化学医科基础化学1第一节第一节 缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制 1.1 缓冲溶液及缓冲作用 缓冲溶液缓冲溶液: 加入少量强酸、强碱或稍加稀释后，加入少量强酸、强碱或稍加稀释后， 保持其保持其pH 基本不变的溶液。基本不变的溶液。 缓冲作用缓冲作用: 缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。抗作用。2缓冲溶液及缓冲作用缓冲溶液及缓冲作用缓冲溶液的分类：缓冲溶液的分类： 强酸溶液强酸溶液 强碱溶液强碱溶液 弱酸弱酸共轭碱溶液共轭碱溶液1.2 缓冲溶液的组成 弱酸弱酸 共轭碱共轭碱 ( (抗碱成分抗碱成分) () (抗酸成分抗酸

2、成分) )3缓冲溶液的组成缓冲溶液的组成弱酸弱酸 共轭碱共轭碱 HAc Ac- H2CO3 HCO3- H3PO4 H2PO4- TrisH+ Tris H2C8H4O4 HC8H4O4- NH4+ NH3 CH3NH3+ CH3NH2 H2PO4- HPO42- HPO42- PO43- 41.3 缓冲机制3 HAc + H2O H O+ + Ac- NaAc Na+ + Ac 实质：靠共轭酸碱对之间的质子转移，实质：靠共轭酸碱对之间的质子转移，消消耗外来的酸和碱。耗外来的酸和碱。5第二节第二节 缓冲溶液的缓冲溶液的 pHpH 计算计算HB + H2O H3O+ + B-+ B-NaBNa+

3、 Ka = H3+O B- / HBH3O+Ka BHB两边各取负对数，两边各取负对数， HBBpHpKa+ lg共轭酸共轭碱 pKa+ lg 62.1 2.1 缓冲溶液的缓冲溶液的 pH pH 计算计算公式公式 由于同离子效应，由于同离子效应，HB 解离很少解离很少 ，HBc(HB) ，B-c(NaB) HBBpHpKa+ lg)( c)( c共轭酸共轭碱 pKa+ lg浓度等于溶质的物质的量除以溶液的体积，浓度等于溶质的物质的量除以溶液的体积， VnVn/ )HB(/ )B(pHpKa+ lg)HB()B(nnpKa+ lg初始浓度的比！初始浓度的比！物质的量的比！物质的量的比！ 72.1

4、 2.1 缓冲溶液的缓冲溶液的 pH pH 计算计算公式公式例例 计算计算0.10molL0.10molL-1 -1 NHNH3 3 20 mL20 mL和和0.20 molL0.20 molL-1 -1 NHNH4 4Cl 15 mLCl 15 mL混合溶液的混合溶液的 pHpH。 解解 缓冲对为缓冲对为NH4+NH3 , pKa(NH4+) = 14 -pKb = 14 4.75 = 9.25 pHpKa+ lg n(NH3) / n(NH4+) =9.25+ lg (0.10 20)/(0.20 15) 9.25 - 0.17 9.08 82.1 2.1 缓冲溶液的缓冲溶液的 pH pH

5、 计算计算公式公式例例 0.10 mol/L NaH2PO4溶液溶液10.0 mL与与0.10 mol/L Na2HPO4溶液溶液20.0 mL混合混合, 求混合溶液的求混合溶液的 pH . 解解: NaH2PO4 Na2HPO4 缓冲溶液缓冲溶液 共轭酸为共轭酸为 H2PO4- ， pKa2 = 7.21 混合液中混合液中 共轭酸和共轭碱的浓度分别为共轭酸和共轭碱的浓度分别为: c (H2PO4- ) = 0.1010.0 / (20.0+10.0) = 0.033 (mol/L) c (HPO42-) = 0.1020.0 / (20.0+10.0) = 0.067 (mol/L)代入公式

6、代入公式, pH = pKa + lg c (HPO42-) / c (H2PO4-) = 7.21 + lg (0.033 / 0.067 ) = 7 .21 - 0.31 =6.909第三节第三节 缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围 ，即缓冲能力。，即缓冲能力。单位体积缓冲溶液的单位体积缓冲溶液的pH 改变改变1个单位时，所需加入一元强酸或一元强碱个单位时，所需加入一元强酸或一元强碱的物质的量的物质的量 。 数学定义式：数学定义式： dpH d)b(aVn H+ Ka C总总 = ln10 ( H+ + OH- + ) (H+ Ka)2 其中其中, C总总 = HB + B- 10影响缓

7、冲容量的因素影响缓冲容量的因素 Ka / H+ = 2.303 C总总 (1+ Ka / H+ )2 HB酸性不很强酸性不很强, 又不很弱时又不很弱时, 忽略忽略H+和和OH- H+ Ka = 2.303 C总总 (H+ Ka)2 分子分母同除以分子分母同除以H+2 (B- / HB) = 2.303 C总总 (1+ B- / HB)2 11影响缓冲容量的因素影响缓冲容量的因素结论：结论： 缓冲容量与缓冲比和总浓度有关。缓冲容量与缓冲比和总浓度有关。 (B- / HB) C总总 = 2.303 (1+ B- / HB)2 对比：对比： pH = pKa + lg 缓冲比既决定缓冲比既决定pH，

8、又决定缓冲容量！，又决定缓冲容量！12影响缓冲容量的因素影响缓冲容量的因素 1、缓冲比、缓冲比( B- / HB )对对的影响的影响 B- / HB = 1 时，时，最大最大: max = 0.57 C总总 B- / HB 1或或 1 时时, 变小变小B- / HB = 0.1 时时, = 0.19 C总总 B- / HB = 10 时时, = 0.19 C总总 pH = pKa 1 为为缓冲范围缓冲范围 (B- / HB) C总总 = 2.303 (1+ B- / HB)2 13影响缓冲容量的因素影响缓冲容量的因素 (B- / HB) C总总 = 2.303 (1+ B- / HB)2 2、

9、C总总 对对的影响的影响 C总总 。 C总总, , 但但。14陈缵光，大学化学，陈缵光，大学化学，8（4），），21-22, 1993第四节第四节 缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制 一、配制原则一、配制原则 1、不干扰主反应、不干扰主反应(无毒无毒) 2、有较好的缓冲能力、有较好的缓冲能力(pKa = pH 1 ) 3、浓度合适、浓度合适 : 生物医学上多用生物医学上多用0.050.2 mol/L 二、配制方法二、配制方法 1、共轭酸、共轭酸HB + 共轭碱共轭碱B 2、共轭酸、共轭酸HB (过量过量) + 强碱强碱 3、共轭碱、共轭碱B(过量过量) + 强酸强酸 *酸式盐酸式盐? pH 与浓度无

10、关，但基本无缓冲能力。与浓度无关，但基本无缓冲能力。15缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制 例例 配制配制100 mL pH = 5.00 的缓冲溶液的缓冲溶液 解解: HAc pKa4.76，接近缓冲溶液，接近缓冲溶液pH 5.00，选用，选用0.10 molL-1的的HAc和和0.10 molL-1 NaAc 5.004.76 + lgml)100(mlVV lgVV100 0.24 解得：解得：V 64 ml pHpH p pK Ka a+lg+lg)HAc()Ac(VV 36 ml 0.10 mol L-1HAc + 64 ml 0.10 mol L-1NaAc混合混合,最后用最后用 “pH

11、计计”监测监测, 用用HCl 或或 NaOH调整至调整至pH= 5.00 16缓冲溶液的配制缓冲溶液的配制例例 配制配制 pH = 7.36 的缓冲溶液的缓冲溶液200 mL, 应取应取 0.100 mol/L NaH2PO4和和0.100 mol/L Na2HPO4 各多少各多少 mL ?解解 已知已知 H3PO4 的的 pKa2=7.21 ，符合，符合 pH = pKa 1，可由可由NaH2PO4Na2HPO4 组成缓冲溶液组成缓冲溶液 因为因为共轭碱与共轭酸初始浓度相同，所以共轭碱共轭碱与共轭酸初始浓度相同，所以共轭碱与共轭酸平衡浓度之比等于它们的体积比与共轭酸平衡浓度之比等于它们的体积

12、比 设取设取NaH2PO4 X mL, 则则Na2HPO4 为为 (200 X ) mL pH = pKa + lg V(HPO42-) / V(H2PO4-) 7.36 = 7.21 + lg (200 X) / X 算得算得 X = 82.9 (mL) ， 200 X = 117.1 (mL) 即，取即，取 NaH2PO4 82.9 mL, Na2HPO4 117.1 mL 17生理缓冲溶液生理缓冲溶液 从事生物医学研究用来控制从事生物医学研究用来控制 pH 的缓冲溶液的缓冲溶液选择缓冲体系：选择缓冲体系：体液体液 pH 79， 共轭酸共轭酸 pKa = ？ 无毒无毒常用缓冲对：常用缓冲对

13、： NaH2PO4 Na2HPO4， pKa= 7.21 Tris - TrisHCl 三羟甲基三羟甲基氨基甲烷氨基甲烷- 盐酸盐盐酸盐 Tris： (CH2OH)3CNH2 ， pKb= 5.92， pKa= 8.08 在在Tris缓冲溶液中加入缓冲溶液中加入NaCl，调节至等渗。，调节至等渗。 18标准缓冲溶液标准缓冲溶液 测定溶液测定溶液pH 时，用标准缓冲溶液对时，用标准缓冲溶液对pH计校正。计校正。19常用标准缓冲溶液常用标准缓冲溶液溶溶 液液浓度浓度(molL-1-1)pH(25)温度系数温度系数(pH-1-1)酒石酸氢钾酒石酸氢钾(KHC4H4O6)饱和，饱和，253.557-

14、-0.001邻苯二甲酸氢邻苯二甲酸氢钾钾(KHC8H4O4)0.054.008+0.001KH2PO4Na2HPO40.025，0.0256.865- -0.003KH2PO4Na2HPO40.008695，0.030437.413- -0.003硼砂硼砂(Na2B4O710H2O)0.019.180- -0.00820第五节第五节 血液中的血液中的缓冲系缓冲系 人体内各种体液都有一定的较稳定的人体内各种体液都有一定的较稳定的pH范围。偏离范围。偏离正常范围，就可能引起机体内许多功能失调。正常范围，就可能引起机体内许多功能失调。血液中含多种缓冲系血液中含多种缓冲系 血浆中：血浆中：H2CO3H

15、CO3-、H2PO4-HPO42-、 HnPHn-1P- (HnP蛋白质蛋白质) 红细胞中：红细胞中：H2bHb-(H2b血红蛋白血红蛋白)、H2bO2HbO2- (H2bO2氧合血红蛋白氧合血红蛋白)、H2CO3HCO3-、 H2PO4- HPO42- 碳酸缓冲系在血液中浓度最高，缓冲能力最大碳酸缓冲系在血液中浓度最高，缓冲能力最大21血液中的血液中的缓冲系缓冲系 CO2(溶解溶解)+ H2O H2CO3 H+ + HCO3- CO2是溶解在离子强度为是溶解在离子强度为0.16的血浆中，的血浆中，37时，时，pKa 应加以校正。校正后，其值为应加以校正。校正后，其值为6.10 6.10 + lg 溶解COHCO23pHpKa，+ lg溶解COHCO23 正常人血浆中正常人血浆中HCO3-和和CO2溶解浓度分别为溶解浓度分别为0.024 molL-1 和和 0.0012 molL-1， pH6.10 + lg 11Lmol0012. 0Lmol024. 0 6.10 + lg 1207.40 22