醫(yī)用基礎(chǔ)化學(xué)4緩沖溶液

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1、第 4章 緩沖溶液 Buffer Solution 4.1 緩沖溶液基本概念 4.1.1 緩沖溶液及其作用原理 實(shí)驗(yàn) 樣品 1， 0.10 molL-1 NaCl溶液 樣品 2，含 HAc 和 NaAc 均為 0.10 molL-1的 混合溶液 操作：加入強(qiáng)酸 HCl 至 0.010 molL-1 觀察現(xiàn)象： pH的變化 4.1 緩沖溶液基本概念 0.10 molL-1 NaCl溶液 加入 HCl到 0.010 molL-1 溶液的 pH由 7變?yōu)?2， 改變了 5個(gè) pH單位。 4.1 緩沖溶液基本概念 0.10 molL-1 HAc 0.10 molL-1 NaAc溶液 加入 HCl到 0

2、.010 molL-1 溶液的 pH由 4.75變?yōu)?4.74，改變僅 0.01pH單 位。 4.1 緩沖溶液基本概念 1. 緩沖溶液 定義 能抵抗外來(lái)少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稍加稀釋，而 保持其 pH基本不變的溶液。 緩沖作用 緩沖溶液對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稀釋的抵抗作用。 4.1 緩沖溶液基本概念 2. 緩沖機(jī)制 以 HAc Ac-體系為例 緩沖溶液存在大量 HAc和 Ac- ，質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡 H A c + H 2 O H 3 O + + A c -當(dāng)加入少量強(qiáng)酸時(shí) , Ac-消耗掉外來(lái)的 H+離子，直 到建立起新平衡，而溶液的 pH保持基本不變。 H+ + Ac- HAc 當(dāng)加入少量強(qiáng)堿時(shí) , HAc解

3、離直到建立新平衡，補(bǔ) 充消耗的 H3O+離子 ,而溶液 pH保持基本不變。 OH- + H3O+ 2H2O 共軛堿稱為抗酸成分，共軛酸稱為抗堿成分。 4.1 緩沖溶液基本概念 4.1.2 緩沖溶液的組成 由足夠濃度的共軛酸堿對(duì)的兩種物質(zhì)組成。 組成緩沖溶液的共軛酸堿對(duì)的兩種物質(zhì)合稱為緩沖 系 (buffer system)或緩沖對(duì) (buffer pair)。 4.1 緩沖溶液基本概念 常見(jiàn)的緩沖系 質(zhì) 子 轉(zhuǎn) 移 平 衡 H A c + H 2 O A c - + H 3 O + H 2 C O 3 + H 2 O H C O 3 - + H 3 O + H 3 P O 4 + H 2 O

4、H 2 P O 4 - + H 3 O + T r i s H + + H 2 O T r i s + H 3 O + H 2 C 8 H 4 O 4 + H 2 O H C 8 H 4 O 4 - + H 3 O + N H 4 + + H 2 O N H 3 + H 3 O + C H 3 N H 3 + + H 2 O C H 3 N H 2 + H 3 O + H 2 P O 4 - + H 2 O H P O 4 2 - + H 3 O + H P O 4 2 - + H 2 O P O 4 3 - + H 3 O + 緩 沖 系 H A c - N a A c H 2 C O 3

5、- N a H C O 3 H 3 P O 4 - N a H 2 P O 4 T r i s H C l - T r i s H 2 C 8 H 4 O 4 - K H C 8 H 4 O 4 N H 4 C l - N H 3 C H 3 N H 3 + C l - C H 3 N H 2 N a H 2 P O 4 - N a 2 H P O 4 N a 2 H P O 4 - N a 3 P O 4 質(zhì) 子 轉(zhuǎn) 移 平 衡緩 沖 系 4.2 緩沖溶液 pH的計(jì)算 4.2.1 Henderson Hasselbalch方程 以 HB代表弱酸，并與 NaB組成緩沖溶液。 H B + H 2

6、 O H 3 O + + B - H B B lg p pH , H B BOH - a - 3 a K K 整理得等式兩邊各取負(fù)對(duì)數(shù)， 4.2 緩沖溶液 pH的計(jì)算 H B ) )Blg p pH - a ( ( c cK HB在溶液中只少部分解離，且因 B-的同離子效應(yīng)， 使 HB幾乎完全以分子狀態(tài)存在。所以 H B ) )B lg p pH )H B ) / )/B lg p H B ) )B lg p pH - a - a - a ( ( ( ( ( ( n n K Vn Vn K c c K 溶液 溶液 由于 c = n/ V，所以 4.2 緩沖溶液 pH的計(jì)算 討論 H B Blg

7、 p pH - a K (1)緩沖溶液的 pH首先取決于 pKa。 (2)對(duì)于給定的緩沖系，其 pH隨著緩沖比 B-/HB的 改變而改變。當(dāng)緩沖比等于 l時(shí)， pH等于 pKa。 (3)溶液加水稀釋時(shí)，緩沖比基本不變，所以 pH基本 不變。但 稀釋會(huì)引起溶液離子強(qiáng)度改變，使 HB和 B- 的活度因子受到不同程度的影響，緩沖溶液的 pH會(huì) 有微小的改變。 4.2 緩沖溶液 pH的計(jì)算 例 混合 20 mL 0.10 molL-1 的 H3PO4與 30 mL 0.10 molL-1 的 NaOH，計(jì)算所得緩沖溶液的 pH。 已知： pKa1=2.16， pKa2=7.21， pKa3=12.32

8、。 解 H 3 P O 4 + N a O H N a H 2 P O 4 + H 2 O 反 應(yīng) 前 2 0 0 . 1 0 m m o l 3 0 0 . 1 0 m m o l 反 應(yīng) 后 2 . 0 m m o l1 . 0 m m o l N a H 2 P O 4 + N a O H N a 2 H P O 4 + H 2 O 反 應(yīng) 前 2 . 0 m m o l 1 . 0 m m o l 反 應(yīng) 后 1 . 0 m m o l1 . 0 m m o l 7 . 2 1 1 . 0 m m o l 1 . 0 m m o llg7 . 2 1 )PO(H )( H P Olg

9、p pH 42 -2 4 a2 n nK 4.3 緩沖容量 4.3.1 緩沖容量 緩沖溶液的緩沖能力有一定限度。用緩沖 容量 作為衡量緩沖能力大小的尺度。定義 為 a ( b ) a ( b ) p H p H d e f d n n V d V 單位體積緩沖溶液的 pH發(fā)生一定變化時(shí)所能 抵抗的外加一元強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的物質(zhì)的量。 4.3 緩沖容量 4.3.2 影響緩沖容量的因素 BHBBHB B BHB HB303.2 總c/H B B3 0 3.2 總總 cc H B B B H B 2 1 3 0 3.2 1 B H B 1 H B B 1 1 3 0 3.2 4.3 緩沖容量 1. 總濃度

10、 c總 HB+B-的影響： 對(duì)于同一緩沖系，當(dāng)緩沖比一定時(shí)，總濃度 愈大，緩沖容量愈大。 2. 緩沖比的影響 : （ 1）對(duì)于同一緩沖系：當(dāng)總濃度一定時(shí)，緩 沖比愈接近 1，緩沖容量愈大；緩沖比愈遠(yuǎn)離 1，緩沖容量愈小。緩沖比等于 1時(shí)，緩沖系 有最大緩沖容量。 4.3 緩沖容量 緩沖比 1 1時(shí)，緩沖容量最大 總總 cc 576.0)112( 1303.2 m a x 總c H B B B H B 2 1 303.2 4.3 緩沖容量 （ 2）緩沖范圍 1ppH ppH 1-ppH :pH 1 10 1 1 10 1 aaa m a x KKK 緩沖比： 減小減小 把緩沖溶液 pH=pKa

11、1變化范圍稱為緩沖范圍。 4.3 緩沖容量 與 pH的關(guān)系 （ 2） 0.1 molL-1 HAc+NaOH （ 3） 0.2 molL-1 HAc+NaOH （ 4） 0.05 molL-1 KH2PO4+NaOH （ 5） 0.05 molL-1 H2BO3+NaOH 討論 1）在 pH=pKa時(shí)，緩沖容量達(dá)到最大。 2）同一緩沖系，總濃度越大， max越大。 3）不同緩沖系，總濃度相同， max相同。 4）緩沖容量以 max為中心呈鐘形對(duì)稱。 4.3 緩沖容量 4.3 緩沖容量 例 將 0.20molL-1HB溶液和 0.20molL-1 B-溶液 以 9:1的體積比 混合，計(jì)算緩沖系的

12、緩沖容量。 解： 當(dāng) V(HB):V(B-)=9:1時(shí) - 1 - 1 -1 - 0 . 2 0 m o l L ( H B ) 0 . 2 0m o l L 9m L( H B ) = 0 . 1 8 m o l L ( H B ) ( B ) 9m L 1 m L Vc VV - 1 - 1 - - 1 - 0 . 2 0 m o l L ( B ) 0 . 2 0m o l L 1 m L( B ) = 0 . 0 2 0m o l L ( H B ) ( B ) 9m L 1 m L Vc VV 1 11 11 Lm o l0 4 1.0Lm o l0 2 0.0Lm o l18.0

13、Lm o l0 2 0.0Lm o l18.03 0 3.2 4.4 緩沖溶液的配制 4.4.1 配制方法 1. 配制原則或程序 （ 1）選擇合適的緩沖系： pH在 pKa 1緩沖范圍內(nèi)并盡量接近弱酸 pKa。 緩沖系的物質(zhì)必須對(duì)主反應(yīng)無(wú)干擾。 （ 2）配制的緩沖溶液的總濃度要適當(dāng)： 一般總濃度 0.05molL -1 0.2molL -1。 （ 3）根據(jù) Henderson-Hasselbalch方程計(jì)算所需量。 （ 4）配制：根據(jù)計(jì)算量配制 （ 5）校正：在 pH計(jì)監(jiān)控下，對(duì)所配緩沖液的 pH校正。 4.4 緩沖溶液的配制 2配制： （ 1）用同濃度弱酸及共軛堿配制。 根據(jù) n = cV，

14、若混合前儲(chǔ)備液的 c(B-) = c(HB) 配制緩沖液時(shí) ,所取體積分別為 V(B-)、 V(HB)，則 H B )( )B( lg p pH H B )(H B )( )B()B( lg p H B )( )B( lg p pH - a - a - a V V K Vc Vc K n n K 4.4 緩沖溶液的配制 （ 2）用酸堿反應(yīng)生成物與剩余反應(yīng)物配制。 在實(shí)際應(yīng)用中，還采用酸堿反應(yīng)的生成物與剩余的 反應(yīng)物組成緩沖系。 弱酸（過(guò)量） + 強(qiáng)堿 弱堿（過(guò)量） +強(qiáng)酸 優(yōu)點(diǎn)： HCl 和 NaOH 溶液常備試劑，容易獲得。 通常緩沖溶液的 pH需要在 pH計(jì)監(jiān)控下調(diào)整，滴 加強(qiáng)堿 /酸易于

15、操作。 4.4 緩沖溶液的配制 4.4.2 常用緩沖溶液 1. 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液性質(zhì)穩(wěn)定，有一定的緩沖容量和抗 稀釋能力，用來(lái)校準(zhǔn) pH計(jì)。 溶 液 濃度 / ( m o l L - 1 ) pH( 2 5 ) KH C 4 H 4 O 6 飽和， 25 3. 55 7 KH C 8 H 4 O 4 0. 05 4. 00 8 KH 2 PO 4 - Na 2 H PO 4 0. 02 5 ， 0. 02 5 6. 86 5 KH 2 PO 4 - Na 2 H PO 4 0. 00 8 6 95 ， 0. 03 04 3 7. 41 3 ( Na 2 B 4 O 7 10 H 2

16、O) 0. 01 9. 18 0 4.4 緩沖溶液的配制 4.4.2 常用緩沖溶液 2. 常用 緩沖溶液 5 0 m L 0 . 1 m o l L - 1 KH 2 PO 4 + x mL 0 . 1 m o l L - 1 N a O H 稀釋至 1 0 0 m L pH x 5 . 8 3 . 6 - 6 . 4 0 1 1 . 6 0 . 0 2 1 6 . 9 0 2 5 . 9 0 . 0 3 3 7 . 4 0 3 9 . 1 0 . 0 2 0 7 . 9 0 4 6 . 1 0 . 0 0 7 8 . 0 0 4 6 . 7 - 4.5 緩沖溶液在醫(yī)學(xué)中的意義 血漿中： H2

17、CO3-HCO3- H2PO4-HPO42- HnP-Hn-1P- 紅細(xì)胞中： H2b-Hb-(血紅蛋白 ) H2bO2-HbO2-(氧合血紅蛋白 ) H2CO3-HCO3- H2PO4-HPO42- 4.5 緩沖溶液在醫(yī)學(xué)中的意義 正常情況下， HCO3-與 CO2溶解 的比率為 24mmolL-1比 1.2mmolL-1，即 20/1。 37 時(shí)，若 血漿中離子強(qiáng)度為 0.16，經(jīng)校正后， pKa=pKa1 =6.10， pH 6.10 + lg 7.40 )HB( )B(lg 1 1 Lm o l0 0 1 2.0 Lm o l0 2 4.0 4.5 緩沖溶液在醫(yī)學(xué)中的意義 在這些緩沖系

18、中，碳酸緩沖系 H2CO3-HCO3-的濃 度最高，在維持血液 pH的正常范圍中發(fā)揮的作用 最重要。 碳酸緩沖系來(lái)源于呼吸作用的二氧化碳溶于血液 生成的碳酸，與其離解產(chǎn)生的碳酸氫根離子，以 及血液中貯存的碳酸氫根離子達(dá)成平衡： 肺 CO 2( 溶解 ) +H 2 O H 2 CO 3 H + + H C O 3 - 腎 4.5 緩沖溶液在醫(yī)學(xué)中的意義 當(dāng)體內(nèi)酸性物質(zhì)增加 , HCO3-與 H3O+結(jié)合 ， 平衡左 移；體內(nèi)堿性物質(zhì)增加時(shí) ， H3O+ 結(jié)合 OH- ， H2CO3(CO2溶解 ) 解離 ， 平衡右移 ， pH沒(méi)有明顯改 變 。 HCO3-在一定程度上可以代表血漿對(duì)體內(nèi)所產(chǎn)生 的酸性物質(zhì)的緩沖能力 ， 所以常將血漿中的 HCO3-稱為堿儲(chǔ) 。 若血液的 pH小于 7.35， 則會(huì)發(fā)生酸中毒 (acidosis)； 若 pH大于 7.45， 則發(fā)生堿中毒 (alkalosis)。 若血 液的 pH小于 6.8或大于 7.8， 就會(huì)導(dǎo)致死亡 。 作業(yè)： 59頁(yè) 2、 7 、 8、 9、 10