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1、第四章 缓冲溶液,第一节 缓冲溶液的组成及缓冲机制 第二节 缓冲溶液 的计算 第三节 缓冲容量和缓冲范围 第四节 缓冲溶液配制 第五节 缓冲体系在医学上的意义,1LHAc(0.1mol) NaAc(0.1mol) system (甲基橙),1LH2O solution(甲基橙),1LHAc(0.1mol) NaAc(0.1mol) system (酚酞),1LH2O solution(酚酞),第一节 缓冲溶液的组成及缓冲机制,象2、3这种能抵御外加少量的强酸或强碱,保持溶液pH相对稳定。这种溶液称为缓冲溶液(Buffer solution ) 。 缓冲溶液具有的抵抗外加少量强酸或强碱的作用称为
2、缓冲作用。 (Buffer action),一 缓冲溶液的组成,缓冲溶液一般是由两种物质组成的: 弱酸及其盐:HAc-NaAc 弱碱及其盐:NH3NH4Cl 两性物质盐:NaH2PO4Na2HPO4 习惯上把组成缓冲溶液的共轭酸碱 对称为缓冲对(Buffer pair)或缓冲系 (Buffer system) 。,本质上是一对共轭酸碱对,缓冲溶液是由足够浓度、适当比 例的缓冲对组成的混合溶液。,如果两物质能反应,要看反应结果,不能光看表面。如: HAc(过量)+ NaOH NH3 (过量) + HCL H3PO4 + NaOH等 都能形成缓冲溶液,判断时要注意。,缓冲溶液组成的补充说明:,抗酸
3、成分、抗碱成分,缓冲对中的共轭碱发挥抵抗外来强酸的作用,故称之为缓冲溶液的抗酸成分。 如:溶液中Ac-的成为抗酸成分 缓冲对中的共轭酸发挥抵抗外来强碱的作用,故称之为缓冲溶液的抗碱成分。 如:溶液中HAc的成为抗碱成分,第二节 缓冲溶液pH的计算,在 缓冲溶液中,存在下列质子转移平衡:,HAcc(HAc), Ac-c(Ac-) 上式简化为: 两边取负对数:,缓冲溶液的计算公式:,弱酸解离常数的负对数,缓冲溶液的缓冲比,缓冲溶液的总浓度,说明:公式的其它形式,1,2,例 时,1.0 L HAc-NaAc 缓冲溶液中含有 0.10 mol HAc 和 0.20 mol NaAc。 (1)计算此缓冲
4、溶液的 pH; (2)向100mL该缓冲溶液中加入10mL0.10molL-1 HCl 溶液后,计算缓冲溶液的 pH; (3)向100mL该缓冲溶液中加入10mL0.10molL-1 NaOH 溶液后,计算缓冲溶液的 pH; (4)向100mL该缓冲溶液中加入 1L水稀释后,计 算缓冲溶液的 pH。,解: 时,Ka (HAc)1.810-5。 (1)HAc 和 Ac- 的浓度都较大,缓冲溶液的 pH 为: (2)加入 10 mL 0.10 molL-1 HCl 溶液后,HAc 和 Ac- 的浓度分别为:,HAc 和 Ac- 的浓度都较大,缓冲溶液的 pH 为: 加入10 mL 0.10 mol
5、L-1 HCl 溶液后,溶液的 pH 由5.05降为4.98,仅减小了 0.07,表明缓冲溶液具有 抵抗少量强酸的能力。,(3)加入10 mL 0.10 molL-1 NaOH 溶液后,HAc和 Ac- 的浓度分别为:,HAc 和 Ac- 的浓度都比较大,缓冲溶液的pH为:,加入 10 mL 0.10 molL-1 NaOH 溶液后, 溶液的 pH由5.05升高到5.11,仅增大了0.06,表明缓冲溶液 具有抵抗少量强碱的能力。,(4)加入 1L水稀释后,HAc和Ac-的浓度分别为:,HAc 和 Ac- 的浓度都较大,缓冲溶液的 pH 为: 加入 1 L 水稀释后,溶液的 pH 未发生变化,
6、表明缓冲溶液具有抗稀释的作用。,一、缓冲容量的概念 1.定义: 单位体积缓冲溶液的pH值改变1个单位时,所需加入一元强酸或一元强碱的物质的量。 符号:,第三节 缓冲容量和缓冲范围,2、公式: V: 是缓冲溶液的体积 ,单位为L。 na(b):缓冲溶液中加入微小量的一元强酸 (dna) 或一元强碱(dnb), 单位是mol或mmol。 pH:为缓冲溶液pH值的改变量。,讨论:,不可能是负值 在同样的na(b)和V的条件下,pH改 值|pH|愈小,则值愈大,缓冲溶液 的缓冲能力愈强。,利用上式可以推导出缓冲容量的计算公式:,(1)影响的因素:c总和缓冲比。 (2)由于缓冲比影响缓冲溶液的pH值,所
7、以缓 冲容量随缓冲溶液pH值的变化而变化。,二、影响缓冲容量的因素 1. 缓冲容量与总浓度的关系 同一共轭酸碱对组成的缓冲溶液,当缓冲比相同时,总浓度越大,缓冲容量就越大。 2. 缓冲容量和缓冲比的关系 同一共轭酸碱对组成的缓冲溶液,当总浓度相同时,缓冲比越接近1,其缓冲容量就越大。,3、影响缓冲容量的因素:,(1)总浓度(CACHA) 同一缓冲对组成的缓冲溶液,当缓冲比相同时,总浓度越大,其就越大。 (2)缓冲比 (CA-/CHA ) 同一缓冲对组成的总浓度相同的缓冲溶液,缓冲比接近1, 越大,反之。而当缓冲比等于1时, 最大。,缓冲容量与缓冲比的关系 C总一定,缓冲比=1,极大; 缓冲比1
8、0:1或缓冲比1:10,较小,缓冲能力显 著下降,三 缓冲范围,只有当缓冲比在0.110 范围内,缓冲溶液才能发挥缓冲作用。通常把缓冲溶液能发挥缓冲作用(缓冲比为0.110)的pH范围称为缓冲范围。 HA-A- 缓冲溶液的缓冲范围为:,第四节 缓冲溶液的选择与配制,(1) 选择合适的缓冲对。 所配制的缓冲溶液的pH尽量接近弱酸的 。 (2)所选择的缓冲对不能与反应物或生成物 发生作用,药用缓冲溶液还必须考虑是否有 毒性等。 (3)缓冲溶液的总浓度要适当, 0.05 0.2 molL-1 之间。,(4)选定缓冲对后,计算出所需共轭 酸、碱的量。 (5)配制缓冲溶液。 用pH计或精密pH试纸对所配
9、制缓 冲溶液的pH进行校正。,例: 欲配制pH=3.50的缓冲溶液,有以下 缓冲对:应选用哪一缓冲对? HCOOH-HCOONa HAc-NaAc NaH2PO4- Na2HPO4 NH3-NH4Cl 已知 pKa(HCOOH)=3.75, pKa(HAc)=4.75, pKa2( H3PO4)=7.21, pKb(NH3)=4.75),例 用浓度均为 0.10 molL-1的弱酸和其共轭碱 溶液配制 100 mL pH 为 5.00 的缓冲溶液。,解:所选择的缓冲对中弱酸的 应在 4 6 之 间,HAc 的 ,因此可选择 HAc-NaAc 缓 冲对。若需0.10molL-1 HAc 溶液的体
10、积为V(HAc), 则需0.10molL-1NaAc溶液的体积为100mL-V(HAc)。,代入数据得: 所需 NaAc 溶液的体积为:,将35.5 mL 0.10molL-1HAc溶液与64.5 mL 0.10 molL-1 NaAc 溶液混合,即可配制成 100 mL pH 为 5.00 的缓冲溶液。,缓冲溶液的配制及其缓冲容量,pH V(NaOH)/mL /molL-1,pH V(NaOH)/mL /molL-1,二、标准缓冲溶液,用pH计测定溶液的pH时,需要用标准缓冲溶液进行校正。标准缓冲溶液是由规定浓度的某些标准解离常数较小的单一两性物质或由共轭酸碱对组成,其pH是在一定温度下通过
11、实验准确测定的。,第五节、缓冲体系在医学上的意义,缓冲溶液在医学上有很重要的意义。 例如:血库中血液的冷藏都需要一定的pH值的缓冲溶液;生物体内的催化剂酶的催化作用,也需要在一定pH值的缓冲溶液中进行。许多药物也常需要在一定pH值的介质才能稳定。,缓冲系的缓冲作用对于人的正常生命活动有着重要的意义。 人体的血液或其它体液中的化学反应都必须在一定的pH值条件下进行,所以要依靠存在于体液中的各种缓冲系来使它们的pH值保持恒定。,例如:血液的pH值总是维持在7.357.45之间的狭小范围内。 若血液的pH值改变0.1单位以上,pH值低于7.35,就发生酸中毒;若高于7.45就会发生碱中毒。 血液的p
12、H值能够维持在一个很小的范围内,其中一个重要的因素就是血液中存在着多种缓冲对。,血液中的主要缓冲对有: 血浆中:H2CO3HCO3, H2PO4HPO42 Na-蛋白质H-蛋白质 红细胞中:H2CO3HCO3 H2bHb-1 (H2b-血红蛋白) H2bO2HbO2 (H2bO2-氧合血红蛋白),在这些缓冲系中, H2CO3HCO3主要缓冲系在血液中浓度最高,缓冲能力最大,对维持血液的正常pH值越着主要作用。 H2CO3在溶液中主要以溶解状态的CO2形式存在,因而将缓冲系HCO3 /H2CO3形式写成HCO3 /CO2。,血液中缓冲系统的作用机理,先看H2CO3HCO3缓冲系。 由于是H2CO
13、3弱酸,它存在电离平衡: H2CO3 HCO3 H 肺 CO2H2O 肾,当酸性物质进入该系统时,由于H的增大,将使平衡左移,形成更多的H2CO3 , H2CO3 不稳定分解为CO2和H2O,生成的CO2经血液循环,通过肺部呼出,从而维持H的稳定。降低的HCO3可通过肾脏调节而使其增高。,能引起血液中酸度的增加的因素:,肺气肿引起肺部换气不足,充血性心力衰竭和支气管炎;患糖尿病或食用低碳水化合物和高脂肪食物引起代谢酸的增加,摄食过多的酸或在严重腹泻时丧失碳酸氢盐过多,因肾功能衰竭引起H排泄的减少等。 临床上常用乳酸钠来矫正代谢性酸中毒。,当碱性物质进入该系统时,碱与H反应生成H2O,从而降低H,但这时平衡向右移动,H的消耗由H2CO3的电离来补充,从而维持H的稳定。增加的HCO3由肾脏排泄。,能引起血液中碱度的增加的因素:,在发高烧和歇斯底里发作时换气过速,食用过多的碱性物质如抗酸药物或严重的呕吐等都会引起血液中碱的增加,血液的pH值可增大到7.35以上引起碱中毒。 临床上常用NH4Cl来治疗碱中毒。,总之,由于体内缓冲系的作用及配合人体呼吸作用和肾脏调节功能等,使正常人血液的pH值恒定在7.357.45这一狭小范围内。而血液中的缓冲系所起的主要作用是将组织、细胞代谢所产生的大量酸在运送到排出部位(肺、肾等)过程中,保持血液的pH值相对稳定。,
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