《大学化学教学课件》3缓冲溶液.ppt

1,第三章 缓冲溶液,第一节 缓冲溶液及缓冲机制第二节 缓冲溶液的pH第三节 缓冲容量和缓冲范围第四节 缓冲溶液的配制第五节 血液中的缓冲系,2,教学要求,1.掌握缓冲溶液的概念、组成及缓冲作用原理。,2.掌握影响缓冲溶液pH的因素和Henderson-Hasselbalch方程式及几种表示形式，并能用于缓冲溶液pH的计算。,3.掌握缓冲容量的概念及其影响因素、缓冲容量的有关计算。,4.熟悉缓冲溶液的配制原则、方法和步骤，了解医学上常用的缓冲溶液配方和标准缓冲溶液的组成。,5.熟悉血液中的主要缓冲系及在恒定血液pH过程中的作用。,3,第一节 缓冲溶液及缓冲作用原理,一、缓冲溶液的概念及组成,1.概念：,请大家看实验：,4,加入甲基橙指示剂,100ml pH=5.00 HCl溶液,加入0.001molHCl,pH=2,加入0.001molNaOH,pH=12,3.1-4.4 红-橙-黄,5,100ml HAc和NaAc均为1mol/L混合溶液,加入甲基橙指示剂,pH=5.00,加入0.001molHCl,pH=4.98,加水稀释,pH=4.99,加入0.001molNaOH,pH=5.02,有对抗外来少量强酸、强碱、或稀释而保持溶液的pH相对稳定的作用,称为缓冲作用。,6,2.缓冲溶液的组成：,共轭酸及其对应的共轭碱两种物质。,如：HAc NaAc NH3 NH4Cl NaH2PO4 Na2HPO4,组成缓冲溶液的两种物质合称为缓冲系或缓冲对。,7,3、类型:,1.弱酸（过量）+强碱=弱酸共轭碱。如：HAc（过量）+NaOH=（HAcNaAc）2.弱碱共轭酸 如：（NH3H2ONH4Cl）3.多元酸的酸式盐+共轭碱 如：NaH2PO4-Na2HPO44.强酸+弱酸的共轭碱（过量）如：HCl+NaAc（过量）,8,二、缓冲作用原理,以HAc NaAc缓冲系为例：,这种溶液有两个特点：存在着HAcHAc一可逆过程，处在动态平衡之中。HAc和Ac一是以解离平衡互相联系地存在于溶液中。由于大量Ac（来自NaAc）存在，对HAc产生同离子效应，抑制了HAc的解离，使平衡向生成HAc的方向移动，溶液中也存在大量的HAc。即HAc分子多，Ac-离子多，H3O+少。,在HAcNaAc缓冲溶液中 HAc H+Ac NaAc Na+Ac,酸的影响：当加入少量强酸(H+)时，强酸电离出来的H+就与Ac一结合生成HAc。由于溶液中Ac较高，加入强酸的量相对较少，加入的酸几乎全部被Ac结合，当新平衡时，Ac-略有减少，HAc略有增加，溶液中H+几乎没有改变。,碱的影响 当加入少量强碱(OH)时，OH一就会与H结合生成H2O。当溶液中H+的稍有降低时，溶液中HAc 又立即电离出H来补充，当新平衡时，HAc略有减少，Ac略有增加，溶液的PH值几乎不变。,在HAcNaAc缓冲溶液中 HAc H+Ac NaAc Na+Ac,因此，缓冲溶液中的H或pH值，不至于因外加少量的强酸、强碱而发生明显改变。缓冲溶液具有缓冲作用，是由于缓冲溶液中同时含有抗酸、抗碱成分，可对抗并消耗掉外来的少量强酸、强碱，使溶液的H和OH未有明显的变化。,2.抗酸成分、抗碱成分,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：溶液中的Ac一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：溶液中的HAc,由于缓冲体系中存在着弱酸（或弱碱）的离解平衡，且共轭酸碱的浓度都是较大的，因此加入H+或OH时，只是使平衡发生了移动。当重新建立平衡时，体系中的H+量并无明显变化，从而保持体系的pH值相对稳定。,总结：,13,第二节 缓冲溶液pH的计算,一、pH值的计算公式,以HB代表共轭酸；NaB代表对应的共轭碱。,等式两边各取负对数得：,亨德森-哈塞尔巴赫（Henderson-Hasselbalch）方程式,14,式中：HB和B-均为平衡浓度，B-/HB为缓冲比；HB与B-之和为总浓度（c总）。,HB=c（HB）c（HB）c（HB）B-=c（NaB）+c（HB）c（B-）,如果：HB的原始浓度为c（HB），已解离部分的浓度为c（HB）则：,所以，计算公式可表示为：,15,公式中c（B-）和c（HB）可以用溶质的物质的量（n）或溶液的体积（V）来表示：,16,总结公式得到：,(1)pKa：缓冲溶液的pH值首先取决于弱酸的解离常数Ka值(2)A/HA：同一缓冲系的缓冲溶液，pKa值一定，其pH值随着缓冲比的改变而改变。当缓冲比等于l时，缓冲溶液的pH值等于pKa。(3)缓冲溶液加水稀释时，c(B-)与c(HB)的比值不变，则pH值也不变。稀释太多有影响。,17,缓冲溶液pH值计算公式的应用,例 计算0.10mol/L的NH3水20ml和0.20mol/L的NH4Cl15ml混合后溶液的pH。,解：缓冲系为NH4+NH3，pKa（NH4+）=9.25,=9.25 0.179.08,18,二、缓冲溶液pH值的校正,此式为校正的缓冲溶液pH计算公式，式中(HB)和(B-)分别为溶液中HB和B-的活度因子。活度因子与弱酸的电荷数和溶液的离子强度(I)有关，故校正因数也与弱酸的电荷数和溶液的离子强度有关。,pHpKa+lg=pKa+lg+lg,以HB和B-的活度替代它们的平衡浓度，则,19,第三节缓冲容量和缓冲范围,一、缓冲容量,通常用单位体积缓冲溶液的pH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表示。,，缓冲能力越强,由式可见：,微分定义式为：,20,由微分式可导出 与 c总 及 B-、HB 的关系：,=2.303HBB-/c总,由此表明：随c总 及 B-、HB 的改变而改变。由于B-及HB 决定缓冲比，影响缓冲溶液的pH，所以缓冲容量随缓冲溶液pH的变化而变化。,这种变化关系请大家看图4-1。,21,图4-1 缓冲容量与pH的关系,（1）0.05mol/L HCl；（2）0.10mol/L HAc+NaOH；（3）0.20mol/L HAc+NaOH；（4）0.05mol/L KH2PO4+NaOH；（5）0.05mol/L H2BO3+NaOH；（6）0.02mol/L NaOH。,22,2.由弱酸及其共轭碱组成的缓冲溶液，如曲线（2）（5），当总浓度一定时，缓冲容量是随着缓冲比的变化而变化的。这种变化关系可看以下表4-4所列实例。,分析图中曲线，可以得到以下几条规律：,1.缓冲比一定时，缓冲溶液的总浓度越大，缓冲容量越大；如曲线（2）和（3），总浓度增大一倍，缓冲容量也增大一倍。,23,表4-4 缓冲容量与缓冲比的关系,表中数据表明：同一缓冲系的缓冲溶液，缓冲比越接近1，缓冲容量越大；缓冲比偏离1越远，缓冲容量越小。缓冲比等于1（pH=pKa）时，缓冲容量最大，用最大表示，如（2）（5）等曲线的极大值。,24,=2.303HBB-/c总,c总一定时，HB增大，B-减小，反之，HB减小，B-增大。当HB=B-=c总/2时，HBB-取得最大值。将HB=B-=c总/2代入上式，得最大缓冲容量计算公式。,最大=2.303（c总/2）（c总/2）/c总=0.576 c总,25,结论：缓冲溶液的总浓度和缓冲比是影响缓冲容量的两个重要因素。,同一缓冲系的缓冲溶液，缓冲比一定时，缓冲溶液的总浓度越大，缓冲容量越大。当总浓度一定时，缓冲比越接近1，缓冲容量越大；,26,例：今有总浓度为0.10mol/L的HAc-NaAc缓冲溶液，HAc的pKa=4.76，试求其pH为4.45时的缓冲容量。,解：,同时有c（HAc）+c（Ac-）=0.10mol/L，解二元一次方程组得：c（HAc）=0.067mol/L；c（Ac-）=0.033mol/L。,=2.3030.0670.033/0.10=0.051（mol/LpH）,27,二、缓冲范围（buffer effective range）,当缓冲比大于10:1或小于1:10时，可以认为缓冲溶液已基本失去缓冲作用的能力，如图4-1中，曲线（2）、（3）、（4）、（5）的两翼降的很低处；,一般认为pH=pKa1为缓冲作用的有效区间，称为缓冲溶液的缓冲范围。,不同的缓冲系，因各自弱酸的pKa不同，所以缓冲范围也各不相同。,28,第四节 缓冲溶液的配制,一、缓冲溶液的配制方法和步骤：,1.选择合适的缓冲系。,如：配制pH为4.8的缓冲溶液，可选择HAc-NaAc缓冲系，因HAc的pKa=4.76。,29,2.总浓度要适当一般总浓度在0.050.20mol/L范围内。,3.计算所需弱酸及其共轭碱的物质量或体积,4.按计算结果，分别量取体积为V（HB）的HB溶液和V（B-）的B-溶液相混合，即得V体积的所需pH近似的缓冲溶液。,如果对pH值要求严格的实验，还需在pH计监控下对所配缓冲溶液的pH加以校正。,30,例 如何配制中等缓冲能力的100mlpH约为5.00的缓冲溶液？,解：（1）选缓冲系 由于HAc的pKa=4.76，与5.00接近，所以选用HAc-NaAc缓冲系。,（2）确定总浓度 根据要求具备中等缓冲能力，并考虑计算方便，选用0.10mol/L的HAc和NaAc溶液配制。,（3）计算所需0.10mol/L的HAc和NaAc溶液的体积。,V=64ml，100ml-64ml=36ml,36ml 0.10mol/LHAc+64ml0.10mol/LNaAc混合即得100mlpH为5.00的缓冲溶液。,31,例 用1.00mol/L NaOH中和1.00mol/L丙酸（用HPr代表）的方法，如何配制1000ml总浓度为0.100mol/L，pH=5.00的缓冲溶液。（已知丙酸的pKa=4.86）,解：（1）需丙酸溶液的体积用NaOH中和部分丙酸生成丙酸钠的反应为：,HPr+NaOH=NaPr+H2O1mol 1mol 1mol,设：需1.00mol/L HPr溶液为 Xml，则：0.100mol/L1000ml=1.00mol/L Xml Xml=100ml,32,（2）需NaOH溶液的体积 缓冲溶液的总浓度为0.100mol/L，所以HPr和NaPr在溶液中的浓度有如下关系：,c（HPr）+c（NaPr）=0.100mol/Lc（HPr）=0.100mol/L-c（NaPr）,已知HPr的pKa=4.86，,c（NaPr）=0.0580mol/L,33,丙酸钠在缓冲溶液中的物质的量为：,n（NaPr）=0.0580mol/L1000ml,由上面的中和反应知道：生成1mol的NaPr需要1mol的NaOH。,设：需1.00mol/L NaOH的体积为yml，则有 0.0580mol/L1000ml=1.00mol/Lyml y=58.0ml,按计算结果，量取1.00mol/L丙酸溶液100ml和1.00mol/L NaOH溶液58.0ml混合，并用水稀释至1000ml，即得总浓度为0.100mol/L pH为5.00的丙酸缓冲溶液。,34,二、标准缓冲溶液,一些常用的标准缓冲溶液的pH见表4-7。,为什么一种化合物配成的溶液也具有缓冲作用呢？,35,分两种情况：,一种情况是由于化合物溶于水解离出大量的两性离子。如：酒石酸氢钾溶于水：KHC4H4O6=K+HC4H4O6-（两性离子）H2C4H4O6 HC4H4O6-pKa=2.98 HC4H4O6-C4H4O62-pKa=4.30,另一种情况是化合物溶液的组成成分就相当于一对缓冲对。如：硼砂溶液中，1mol的硼砂相当于2mol的偏硼酸（HBO2）和2mol的偏硼酸钠（NaBO2）,36,血液中存在的缓冲系主要有,1.血浆中：H2CO3-HCO3-、H2PO4-HPO42-、HnP-Hn-1P-(HnP代表蛋白质)2.红细胞中：H2b-Hb-(H2b代表血红蛋白)、H2bO2-HbO2-(H2bO2代表氧合血红蛋白)、H2CO3-HCO3-、H2PO4-HPO42-,第五节 血液中的缓冲系,37,碱 储,在体内，HCO3-是血浆中含量最多的抗酸成分，在一定程度上可以代表血浆对体内所产生非挥发性酸的缓冲能力，所以将血浆中的HCO3-称为碱储。,38,正常血浆中HCO3-CO2(溶解)缓冲系的缓冲比为201，已超出体外缓冲溶液有效缓冲比(即101110)的范围，但它们的缓冲能力却很强。这是因为在体内，当 HCO3-CO2(溶解)发生缓冲作用后，HCO3-或CO2(溶解)的浓度改变可由肺的呼吸作用和肾的生理功能获得补充或调节，使得血液中的HCO3-和CO2(溶解)的浓度保持相对稳定。因此，血浆中的碳酸缓冲系总能保持相当强的缓冲能力，特别是抗酸的能力。,39,正常人血液的pH值维持在7.357.45的狭小范围，主要因为：（1）血液中多种缓冲系的缓冲作用。（2）肺、肾的调节作用。,40,四、人体正常pH的维持与失控,人体内主要两种缓冲体系,H2CO3 HCO3-+H+,肺 CO2+H2O,肾,H2PO4-HPO4 2-,肾,肾,血液,细胞,