2015大一上基礎化學-4緩沖溶液

正常人體血液的pH=7.35~7.45

pH﹤6.8或pH﹥7.8→→死亡0.1mol·L-1HAc+0.1mol·L-1NaAc求下列溶液等體積混合后的[H3O+][H3O+]=HAc+H2O=Ac-+H3O+Ka=[H3O+]·[Ac-][HAc]Ka·[HAc][Ac-]第四章緩沖溶液BufferSolutionCO2+H2OH2CO3H+

+

HCO3-血液中的緩沖系學習要求掌握緩沖溶液的概念、組成和緩沖機理。掌握影響緩沖溶液pH的因素、應用Henderson-Hasselbalch方程式計算緩沖溶液的pH值。掌握緩沖容量的概念、影響因素及有關(guān)計算。熟悉配制緩沖溶液的原則和方法。了解醫(yī)學上常用緩沖溶液配方和標準緩沖溶液。熟悉血液中的主要緩沖系及在穩(wěn)定血液pH過程中的作用。第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制一、緩沖溶液及其作用機制

1.緩沖溶液

(buffersolution):

緩沖？定義：

2.緩沖作用

(bufferaction):

緩沖溶液對強酸、強堿或稀釋的抵抗作用。

強調(diào)第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制實驗

樣品1，0.10mol·L-1NaCl溶液樣品2，含HAc

和NaAc

均為0.10mol·L-1的混合溶液操作：滴加強酸HCl

至c(HCl)=0.010mol·L-1觀察現(xiàn)象：pH的變化第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制0.10mol·L-1NaCl溶液NaCl溶液中加入HCl到0.010mol·L-1

，溶液的pH由7變?yōu)?，改變了5個pH單位。第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制0.10mol·L-1

HAc—0.10mol·L-1NaAc溶液0.10mol·L-1HAc—0.10mol·L-1NaAc溶液溶液中加入HCl到0.010mol·L-1

，溶液的pH由4.75變?yōu)?.74，改變僅0.01pH單位。第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制結(jié)論

HAc—NaAc混合溶液具有抵抗外來少量強酸、強堿而保持pH基本不變的能力。3.緩沖溶液的緩沖作用機制

以HAc-NaAc緩沖溶液體系為例子加以說明：HAc+H2OH3O++Ac-NaAcNa++Ac-關(guān)鍵在平衡移動保持[H+]不變以HAc-NaAc緩沖溶液為例（與酸作用）少量H+平衡向左移動以HAc-NaAc緩沖溶液為例（與堿作用）少量OH-平衡向右移動緩沖作用的機制：在緩沖溶液中，由于濃度較大的弱酸及其共軛堿間質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡的存在，抗酸時消耗共軛堿；抗堿時消耗弱酸。因此，能使緩沖溶液的pH值基本保持不變。HAc

Ac-H3O+OH-HAcAc-HAc

Ac-示意圖:第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制抗酸成分抗堿成分你能總結(jié)一下緩沖溶液的組成嗎？第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制緩沖溶液的組成

組成：具有抗堿成分和抗酸成分。一般由一對共軛酸堿對組成，共軛酸稱為抗堿成分，共軛堿稱為抗酸成分；要求：兩種成分具有足夠濃度和一定比例。兩種成分合稱為緩沖系(buffersystem)或緩沖對(bufferpair)。總濃度為0.05—0.2mol·L-1共軛酸共軛堿HAcNH4ClH2PO4-NaAcNH3·H2OHPO42-抗酸成分緩沖系抗堿成分組成示意圖第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制常見的緩沖系表4-1p56

第一節(jié)緩沖溶液及緩沖機制在實際應用中，還采用酸堿反應的生成物與剩余的反應物組成緩沖系。弱酸（過量）+強堿，如HAc+NaOH

強酸+弱堿（過量），如NH3?H20+HCl

有什么優(yōu)點？1.HCl和NaOH溶液常備試劑，容易獲得。2.弱酸或弱堿的濃度即緩沖系的總濃度。3.通常緩沖溶液的pH需要在pH計監(jiān)控下調(diào)整，滴加強堿/酸易于操作。第二節(jié)：緩沖溶液的PH值計算一、緩沖溶液PH值的計算公式的推導：HB+H2O

H3+O+B-

[HB][H+][B-]

NaBNa++B-Ka=[H+][B-][HB][H+]=Ka[B-][HB]平衡時緩沖公式可表示為：

pH=pKa+lg[B-][HB]……(1)注意：[B-]和[HB]均為平衡濃度；

[B-]/[HB]稱為緩沖比；[B-]+[HB]為緩沖溶液的總濃度。

此式為計算緩沖溶液pH值的Henderson-Hasselbalch方程式pH=pKa+lgc(B-)c(HB)……(2)或：

為什么可這樣表達？例：在1L混合液中，含有0.10molHAc和0.10molNaAc(HAc:pKa=4.76)(1)計算混合液的pH值解:pH＝pKa+lg——cHBcB-pH＝pKa+lg——cHAccAc-=4.76+lg—0.10.10(2)在此混合液中加入0.01molHCl,

溶液的pH值=?解:NaAc+HCl→HAc+NaCl0.100.100.010.090.11pH＝pKa+lg——cHAccAc-0.090.114.76-0.09＝4.67例：在1L混合液中，含有0.10molHAc和0.10molNaAc(HAc:pKa=4.76)例：在1L混合液中，含有0.10mol·L-1HAc和0.10mol·L-1NaAc(HAc:pKa=4.76)(3)在此混合液中加入0.01molNaOH,

溶液的pH值=?解:HAc+NaOH→NaAc+H2O0.100.100.010.090.11pH＝pKa+lg——cHAccAc-0.090.114.76＋0.09＝4.85例：在1L混合液中，含有0.10molHAc和0.10molNaAc(HAc:pKa=4.76)(3)此混合液稀釋一倍,溶液的pH值=?解:pH＝pKa+lg——cHAccAc-0.050.054.76＋0＝4.76cHAc=cAc-=0.05mol·L-1例:計算0.10mol·L-1NH320ml和0.20mol·L-1NH4Cl15ml混合溶液的pH.(NH3:pKb=4.75)解：NH4+的Ka=Kw/KbpKa=pKw-pKb=14-4.75=9.25=9.25+lgpH=pKa+lgn(共軛堿)n(共軛酸)=pKa+lgn(NH3)n(NH4+)0.10mol·L-120ml0.20mol·L-115ml=9.25-0.18=9.07pH=pKa

+lgn(B-)n(HB)……(3)或：

例：在500ml0.200mol/LNH3溶液中，加入4.78gNH4Cl固體，配制成1L緩沖溶液，計算此緩沖溶液的pH解：NH3的pKb=4.75，則NH4+的pKa=9.25n(NH4+)=4.78/53.5=0.0893moln（NH3）=0.200X0.500=0.100molpH=pKa+lgn（NH3）

/n(NH4+)=9.25+lg0.100/0.0893=9.30如果CHB=CNaB，則有：……(4)或：

此式目的是？pH=pKa+lgc(B-)c(HB)……(2)pH=pKa

+lgn(B-)n(HB)……(3)如果CHB=CNaB，則有：……(4)pH=pKa+lg[B-][HB]……(1)緩沖溶液pH值的決定因素:1.

首先取決于弱酸的離解平衡常數(shù)Ka值；2.注意：溫度對Ka

有影響；3.其次緩沖比，當pKa一定時，pH值隨著緩沖比的改變而改變。緩沖比為1時，pH=pKa；4.緩沖溶液的離子強度。這由本質(zhì)決定怎樣影響？第二節(jié)緩沖溶液pH的計算

第二節(jié)緩沖溶液pH的計算

例1將20mL0.10mol·L-1

的H3PO4溶液與30mL0.10mol·L-1

的NaOH溶液混合，求所得緩沖溶液的pH=？已知：pKa1=2.16,pKa2=7.21,pKa3=12.32。解:H3PO4+NaOHNaH2PO4+H2O反應前20×0.10mmol30×0.10mmol反應后1.0mmol2.0mmol第二節(jié)緩沖溶液pH的計算

例1將20mL0.10mol·L-1

的H3PO4溶液與30mL0.10mol·L-1

的NaOH溶液混合，求所得緩沖溶液的pH=？已知：pKa1=2.16,pKa2=7.21,pKa3=12.32。解:NaH2PO4+NaOHNa2HPO4+H2O反應前2.0mmol1.0mmol反應后1.0mmol1.0mmol二、緩沖溶液pH計算公式的校正

回顧1.緩沖溶液的概念，組成和緩沖機制。

2.影響緩沖溶液pH值的因素。

3.緩沖公式及其幾種表示形式并能用于緩沖溶液pH值的有關(guān)計算。1．下列說法是否正確：a.將緩沖溶液無限稀釋，其PH值基本不變b.在緩沖溶液中加入強酸或強堿時，其PH值基本不變或變化不大c.水是一種緩沖溶液。思考題:緩沖體系

HAc-NaAcHCl緩沖體系

HAc-

NaAcNaAc減少NaAc近于耗盡緩沖體系HAc-

NaAc失去緩沖作用??！第三節(jié)緩沖容量和緩沖范圍一、緩沖容量

定義：β

===dna(b)V∣dpH∣單位：mol·L-1·pH-1

單位體積的緩沖溶液pH改變1時,所需加入一元強酸或一元強堿的量(mol)defβ由[HB]和[B-]決定怎樣比較兩不同溶液的緩沖容量？例：判斷緩沖能力2mmolNaOH4mmolNaOHpH:34pH:34βA<βB緩沖能力：<AB數(shù)學式為：β=2.303[HB][Bˉ]/C總c總＝[HB]+[B-]第三節(jié)緩沖容量和緩沖范圍二、影響緩沖容量的因素

1）

緩沖比的影響

2）總濃度c總＝[HB]+[B-]的影響β=2.303[HB][Bˉ]/C總1.β與緩沖比的關(guān)系βpHOABA點：[HB]而[B-]→0緩沖溶液：HB~B-B點：[B-]而[HB]→0O點：[B-]=1[HB]

總濃度一定時,緩沖容量隨緩沖比的變化而規(guī)律變化βpKaOABpH=pKa+lg[B-][HB]A→O：[B-][HB]＜1pH＜pKaB→O：[B-][HB]＞1pH＞pKa紅線綠線O點：[B-][HB]=1pH=pKa緩沖溶液：βpKaOABpKa－1pKa+1O點：pH=pKaβ最大當110≤[B-][HB]≤110時緩沖溶液具緩沖作用pH=pKa±1緩沖范圍

該緩沖系可以配制從pH=pKa－1到pH=pKa＋1的緩沖溶液例：緩沖對pKa緩沖范圍HAc~NaAC4.75H2PO4-~HPO42-7.21NH4+~NH39.253.75—5.756.21—8.218.25—10.25βpH135791113bdeb線：0.1mol·L-1HAc+NaOHHAc~NaAC緩沖系pKa4.75d線:0.01mol·L-1KH2PO4+NaOHH2PO4-~HPO42-7.21e線：0.1mol·L-1NH3+HClNH4+~NH39.25β=2.303×[HB][B－]/c總[HB]

共軛酸的平衡濃度[B－]

共軛堿的平衡濃度緩沖系HB~B－c總

=

[HB]＋[B－]

2.β與總濃度c總的關(guān)系β與c總成正比緩沖比一定時，總濃度越大，β越大β=2.303×([HB]/c總)([B－]/c總)·c總緩沖比一定時,為常數(shù)β=2.303×[HB][B－]/c總=2.303×([HB]/([HB]+[B-]))([B-]/([HB]+[B-]))·c總=2.303×(1/(1+[B-]/[HB]))(1/([HB]/[B-]+1))·c總βpH135791113bcb線：0.1mol·L-1HAc+NaOHc線：0.2mol·L-1HAc+NaOHβpH135791113afa線：HClf線：NaOH具緩沖容量，但不是緩沖溶液3.

緩沖比為1時，緩沖容量β最大β=2.303×([HB]/c總)([B-]/c總)c總[HB]/c總=[HB][HB]＋[B-]=11＋[B-][HB]=12同樣：[B-]/c總=12最大=2.303×?×?×c總=0.576c總結(jié)論1.當緩沖比相同時，總濃度（C總=[HB]+[Bˉ]）越大，緩沖容量越大。2.當總濃度相同時，緩沖比（[Bˉ]/[HB]）越接近于1，緩沖容量越大；等于1（即pH=pKa）時，緩沖容量最大，用β極大表示。第三節(jié)緩沖容量和緩沖范圍例將0.20mol·L-1HB溶液和0.20mol·L-1B-溶液

以9:1的體積比混合，計算緩沖系的緩沖容量。解：當V(HB):V(B-)=9:1時c(HB)=c(B-)=第四節(jié)緩沖溶液的配制一、配制方法1．選擇合適的緩沖系：（1）pH在pKa±1緩沖范圍內(nèi)并盡量接近弱酸pKa。（2）緩沖系的物質(zhì)必須對主反應無干擾。2．配制的緩沖溶液的總濃度要適當：一般總濃度0.05mol·L-1～0.2mol·L-1。3．計算所需緩沖系的量：根據(jù)Henderson-Hasselbalch方程計算。4．校正：需在pH計監(jiān)控下，對所配緩沖溶液的pH校正。第四節(jié)緩沖溶液的配制例如何配制pH=5.00的緩沖溶液100mL?解(1)選擇緩沖系（表4-1）由于HAc的pKa=4.76，接近所配緩沖溶液pH=5.00，所以可選用HAc-Ac-緩沖系。(2)

確定總濃度，計算所需緩沖系的量一般具備中等緩沖能力(0.05～0.2mol·L-1)即可，并考慮計算方便，選用0.10mol·L-1的HAc和0.10mol·L-1NaAc溶液。應用式(4.5)可得第四節(jié)緩沖溶液的配制設V(NaAc)=xmL則：V(NaAc)=xmL=64mLV(HAc)=100mL-64mL=36mL第四節(jié)緩沖溶液的配制二、標準緩沖溶液標準緩沖溶液性質(zhì)穩(wěn)定，有一定的緩沖容量和抗稀釋能力，用來校準pH計。第五節(jié)血液中的緩沖系體液中存在多種生理緩沖系，使體液的pH保持基本穩(wěn)定例如：血液的pH保持在7.35~7.45之間血漿中:H2CO3-HCO3-

、H2PO4--HPO42-

、HnP-Hn-1P-紅細胞中：H2b-Hb-(血紅蛋白)、H2bO2-HbO2-(氧合血紅蛋白)H2CO3-HCO3-、H2PO4--HPO42-CO2+H2OH2CO3H+

+

HCO3-第五節(jié)血液中的緩沖系■血漿中H2CO3～NaHCO3的緩沖機制CO2+H2OH2CO3HCO3-肺腎少量H+緩沖少量H+減少增加增加增加排量補充HCO3-:CO2=20:1■血漿中H2CO3～NaHCO3的緩沖機制CO2+H2OH2CO3HCO3-肺腎少量OH-緩沖少量OH-減少增加減少排量補充排泄HCO3-:CO2=20:1【思考題】

血漿中的緩沖比為20/1

,已超出體外緩沖溶液有效緩沖比

1/10~10/1的范圍，緩沖能力應該很小，但正常血漿仍能維持穩(wěn)定的pH=7.35~7.45.

[HCO3-][CO2]溶解

？因為體內(nèi)緩沖作用與體外緩沖作用不盡相同。緩沖溶液在醫(yī)學上的意義●體內(nèi)：血液是一個敞開體系緩沖作用+肺部的呼吸作用腎臟的生理調(diào)節(jié)補充所消耗的緩沖物質(zhì)使緩沖比維持相對穩(wěn)定(20/1)血漿pH值維持在7.35~7.45●體外:當

發(fā)生緩沖作用后，HCO3-或[CO2]溶解濃度的改變得不到補充或調(diào)節(jié)；緩沖比將發(fā)生變化。HCO3-CO2(溶解）

(抗堿成份)

當[H+]增加時，平衡左移使緩沖比

維持在20/1（抗酸成份)肺部的呼吸作用腎臟的生理調(diào)節(jié)[HCO3-][CO2]溶解體內(nèi)緩沖系來自代謝產(chǎn)物CO2的水合作用:當[OH-]增加時,平衡右移緩沖溶液在醫(yī)學上的意義

CO2(溶解)+H2OH2CO3H++HCO3-第五節(jié)血液中的緩沖系

HCO3-在一定程度上可以代表血漿對體內(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。若血液的pH小于7.35，則會發(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，就會導致死亡。第五節(jié)血液中的緩沖系

正常情況下，[HCO3-]與[CO2(aq)]

的比率為24mmol·L-1比1.2mmol·L-1，即20/1。37℃時，若血漿中離子強度為0.16，經(jīng)校正后，

pKa′=pKa1=6.10，pH＝6.10+lg