基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液講稿ppt課件

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1、第四章 緩沖溶液,Buffer Solution,內(nèi)容提要,1. 緩沖溶液及緩沖機(jī)制 緩沖溶液及其作用機(jī)制 緩沖溶液的組成 2. 緩沖溶液pH的計(jì)算 緩沖溶液pH的近似計(jì)算公式 緩沖溶液pH計(jì)算公式的校正 3. 緩沖容量和緩沖范圍 緩沖容量 影響緩沖容量的因素 緩沖范圍,內(nèi)容提要,4. 緩沖溶液的配制 常用緩沖溶液的配制方法 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液 5. 血液中的緩沖系,教學(xué)基本要求,掌握緩沖溶液的概念、組成和作用機(jī)制。 掌握影響緩沖溶液pH的因素、應(yīng)用Henderson-Hasselbalch方程式計(jì)算緩沖溶液的pH值。 掌握緩沖容量的概念、影響因素及有關(guān)計(jì)算。 熟悉配制緩沖溶液的原則、方法和步驟。了

2、解醫(yī)學(xué)上常用緩沖溶液配方和標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的組成。 熟悉血液中的主要緩沖系及其在穩(wěn)定血液pH過程中的作用。,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,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：滴加強(qiáng)酸 HCl 至c(HCl)=0.010 molL-1 觀察現(xiàn)象：pH的變化,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,0.10 molL-1 NaCl溶液,NaCl溶液中加入HCl到0.010 molL-1 ，溶液的pH由7變?yōu)?，改變了5個(gè)pH單位。,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,0.10 molL-1 HAc 0.10 molL-

3、1 NaAc溶液,0.10 molL-1 HAc 0.10 molL-1 NaAc溶液溶液中加入HCl到0.010 molL-1 ，溶液的pH由4.75變?yōu)?.74，改變僅0.01pH單位。,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,結(jié)論 HAc NaAc 混合溶液具有抵抗外來少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿而保持pH基本不變的能力。,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,一、緩沖溶液及其作用機(jī)制 緩沖溶液（buffer solution） 能夠抵抗少量外來強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，或在有限量稀釋時(shí)，保持其pH基本不變的溶液。 緩沖作用（buffer action） 緩沖溶液對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稀釋的抵抗作用。,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,3 緩沖

4、作用機(jī)制： 以HAcAc-體系為例 當(dāng)加入少量強(qiáng)酸時(shí)，增加的H3O+與Ac-作用 ，質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡左移，溶液的pH保持基本不變。 當(dāng)加入少量強(qiáng)堿時(shí)， 加入的OH-與H3O+結(jié)合，質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡右移，補(bǔ)充消耗掉的H3O+離子，而溶液的pH保持基本不變。,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,用質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡式表示 加少量強(qiáng)酸：H3O + + Ac - HAc + H2O (大量) 加少量強(qiáng)堿：H3O+ + OH- 2H2O HAc + H2O Ac- + H3O+ + (大量) HAc + OH - Ac- + H2O,,抗堿成分,抗酸成

5、分,,示意圖：,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,結(jié)論 緩沖溶液中同時(shí)含有較大量的抗堿成分和抗酸成分，分別抵抗的只是外來的少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿。 通過共軛酸堿對(duì)的質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡的移動(dòng)，使溶液中H+離子或OH-離子濃度無明顯的變化，因此具有緩沖作用。,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,二、緩沖溶液的組成 一般由具有足夠濃度和適當(dāng)比例的共軛酸堿對(duì)的兩種物質(zhì)組成。共軛酸稱為抗堿成分，共軛堿稱為抗酸成分。 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)。,共軛酸,共軛堿,HAc NH4Cl H2PO4-,NaAc NH3H

6、2O HPO42-,,,,抗酸成分,緩沖系,抗堿成分,,組成示意圖,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,第一節(jié) 緩沖溶液及緩沖機(jī)制,常見的緩沖系,第二節(jié) 緩沖溶液pH的計(jì)算,一、緩沖溶液pH的近似計(jì)算公式 1. 基本公式 HendersonHasselbalch方程式 弱酸(HB)及其共軛堿(B-)組成的緩沖溶液中,,第二節(jié) 緩沖溶液pH的計(jì)算,2. HendersonHasselbalch方程式的應(yīng)用 由于緩沖溶液中存在同離子效應(yīng)， B- c(B-) ， HB c(HB) 所以,第二節(jié) 緩沖溶液pH的計(jì)算,由于 c = n/V，所以,第二節(jié) 緩沖溶液pH的計(jì)算,根據(jù) n = cV，若取儲(chǔ)

7、備液 c(B-) = c(HB),第二節(jié) 緩沖溶液pH的計(jì)算,3.緩沖溶液pH計(jì)算公式的意義 緩沖溶液的pH主要取決于Ka。溫度對(duì)Ka有影響。 pKa值一定，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。 緩沖溶液稀釋時(shí)，B-/HB比值基本不變，pH基本不變。 上述公式只適用于緩沖溶液pH的近似計(jì)算。,第二節(jié) 緩沖溶液pH的計(jì)算,例 在500 mL 0.200 molL-1 NH3溶液中，加入4.78 g NH4Cl固體，配制1L緩沖溶液，求此緩沖溶液的pH。 解 查表4-1，NH3H2O的pKb = 4.75，則 的pKa = 14.00 - 4.75 = 9.

8、25 c(NH3) = 0.200 molL-1 /2 = 0.100 molL-1 pH = pKa,,,,第二節(jié) 緩沖溶液pH的計(jì)算,例 檸檬酸 (縮寫H3Cit)及其鹽是一種供細(xì)菌培養(yǎng)的常用緩沖體系，用0.100molL-1 NaH2Cit溶液與0.050 molL-1 NaOH溶液等體積混合，求此緩沖溶液的pH。 解 H3Cit的pKa1=3.13、pKa2=4.76、pKa3=6.40。 過量H2Cit-與OH-反應(yīng)： H2Cit-(aq) + OH-(aq) HCit2-(aq) + H2O(l) 剩余的H2Cit-與生成的HCit2-組成緩沖系 c(H2Cit-) =

9、 (0.100 - 0.050) molL-1 / 2 = 0.025 molL-1 c(HCit2-) = 0.050 molL-1 / 2 = 0.025 molL-1,,,第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍,一、緩沖容量 緩沖溶液的緩沖能力是有一定限度的。當(dāng)加入過量的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，緩沖溶液的pH將發(fā)生較大變化，失去緩沖能力。用緩沖容量作為衡量緩沖能力大小的尺度。定義為,,愈大，說明緩沖溶液的緩沖能力愈強(qiáng)。,第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍,二、影響緩沖容量的因素 緩沖容量與緩沖溶液的總濃度c總(c總=HB+B-) 及B-、HB的關(guān)系,,,第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍,結(jié)論：緩沖容量與總濃度和緩沖比有關(guān)。

10、 總濃度的影響： 當(dāng)緩沖比一定時(shí)，c總愈大，緩沖容量愈大。通常c總在0.050.2 molL-1之間。 緩沖比的影響：當(dāng)總濃度一定時(shí)，緩沖比愈接近1，緩沖容量愈大。緩沖比等于1時(shí)，緩沖容量有最大值,第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍,三、緩沖范圍 pH=pKa1變化范圍稱為有效緩沖范圍。,,,第三節(jié) 緩沖容量和緩沖范圍,緩沖容量 與pH的關(guān)系 （1）HCl+KCl （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 （6）NaOH+KCl,,第三節(jié) 緩沖容

11、量和緩沖范圍,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)算緩沖系的緩沖容量。 解：用相同濃度的共軛堿和共軛酸配制緩沖溶液時(shí)，其體積比等于緩沖比，取a V體積HB溶液與b V體積B-溶液混合,則B- / HB = b / a， c總 = HB + B- = 0.20 molL-1，當(dāng)a : b = 9 : 1時(shí)，,,第四節(jié) 緩沖溶液的配制,一、緩沖溶液的配制方法 （一）配制原則和步驟 1選擇合適的緩沖系 （1）pH在pKa1緩沖范圍內(nèi)并盡量接近弱酸pKa。 （2）緩沖系的物質(zhì)必須對(duì)主反應(yīng)無干擾。 2所配緩沖溶液的總濃度要適當(dāng) 一般總濃度0.

12、05molL-10.2molL-1。 3計(jì)算所需緩沖系的量 根據(jù)Henderson-Hasselbalch方程計(jì)算。 4校正 需在pH計(jì)監(jiān)控下，對(duì)所配緩沖溶液的pH校正。,,第四節(jié) 緩沖溶液的配制,,（二）常用配制方法 1. 為操作方便，常用相同濃度的共軛酸堿配制緩沖溶液。 2. 可采用過量弱酸（堿）與強(qiáng)堿（酸）反應(yīng)組成緩沖系，如： HAc (aq, 過量) + NaOH(aq) NaAc(aq) + H2O(l) 優(yōu)點(diǎn)： HCl 和 NaOH 溶液為常備試劑，容易獲得。 弱酸或弱堿的濃度即緩沖系的總濃度。 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/酸易于操作。,第四節(jié)

13、 緩沖溶液的配制,例 如何配制pH=4.50的緩沖溶液1000mL? 解 (1) 選擇緩沖系 由于HAc的pKa= 4.756，接近所配緩沖溶液 pH=4.50，所以可選用HAc-Ac-緩沖系。 (2)確定總濃度，計(jì)算所需緩沖系的量 一般要求具備中等緩沖能力即可，并考慮計(jì)算 方便，選用0.10molL-1的HAc和0.10molL-1 NaAc溶液。應(yīng)用式(4.5)可得,第四節(jié) 緩沖溶液的配制,設(shè) V(NaAc) = x mL 則 ： V(Ac-) = x mL = 355mL V(HAc)= 1000mL - 355mL= 645mL,,第四節(jié) 緩沖溶液的配制,例 pH接

14、近于7.0的磷酸鹽緩沖溶液常用來培養(yǎng)酶。現(xiàn)采用H3PO4與NaOH溶液混合配制pH = 6.90的緩沖溶液，在450 mL0.10 molL-1的H3PO4溶液中，應(yīng)加入多少mL0.10 molL-1 NaOH溶液？已知H3PO4的pKa1 = 2.16、pKa2 = 7.21、pKa3 = 12.32 (忽略溶液體積加合引起的體積變化)。 解 根據(jù)配制原則，應(yīng)選 緩沖系， 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)分兩步進(jìn)行： (1) H3PO4 (aq) + NaOH(aq) = NaH2PO4(aq) + H2O(l) (2) NaH2PO4 (aq) + NaOH(aq) = Na2HPO4 (

15、aq) + H2O(l),,,第四節(jié) 緩沖溶液的配制,(1) H3PO4 (aq) + NaOH(aq) = NaH2PO4(aq) + H2O(l) 將H3PO4完全中和生成NaH2PO4，需0.10 molL-1NaOH 450 mL，并生成NaH2PO4 450 mL 0.10 mol L-1 = 45 mmol (2) NaH2PO4 (aq) + NaOH(aq) = Na2HPO4 (aq) + H2O(l) 設(shè)中和部分NaH2PO4需NaOH溶液的體積V(NaOH) = x mL，則生成Na2HPO40.10 x mmol，剩余NaH2PO4 (45 - 0.1

16、0 x) mmol， 解得 x = 148 共需NaOH溶液的體積為： 450 mL + 148 mL = 598 mL,,,第四節(jié) 緩沖溶液的配制,二、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，用來校準(zhǔn)pH計(jì)。,,,第五節(jié) 血液中的緩沖系,一、血液中存在的緩沖系 血漿中： H2CO3 -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- 因?yàn)檠褐写嬖诙喾N緩沖系，以及在腎、肺共同 協(xié)調(diào)作用下，所以其pH保

17、持在7.357.45之間 。,第五節(jié) 血液中的緩沖系,上述緩沖系中，碳酸緩沖系的濃度最高，在維持血液pH的正常范圍中發(fā)揮的作用最重要。 來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：,,,CO2 + H2O,,,,,,B-,,,H+,第五節(jié) 血液中的緩沖系,第五節(jié) 血液中的緩沖系,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。,,第五節(jié) 血液中的緩沖系,正常情況下，HCO3-與CO2 (aq) 的分別為24mmolL-1 及1.2mmolL-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， pH6.10 + lg =7.40,二、下列情況均需pH一定的緩沖溶液 大多數(shù)為酶所控制的生化反應(yīng) 微生物的培養(yǎng) 組織切片 細(xì)胞染色 藥物調(diào)劑、研制等,第五節(jié) 血液中的緩沖系,