医学基础化学-第4章-缓冲溶液.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第4章 缓冲溶液,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,第,4,章,buffer solution,缓冲溶液,4.1,缓冲溶液及缓冲机制,4.2,缓冲溶液,pH,值的计算,4.3,缓冲容量和缓冲范围,4.4,缓冲溶液的配制,4.5,血液中的缓冲系,缓冲溶液,许多化学反应，特别是生物体内的反应，只有在一定,pH,值的条件下才能正常进行。,如配位滴定测水总硬度 终点变色与,pH,值控制有关,酶的活性,pH,稍稍偏离，则大为降低甚至丧失,人的体液 超出正常,pH,范围，则会生病或死亡,因此，维持溶液和体液的,pH,值基本不变，在化学和医学上都意义重大。,成人胃液 0.9 1.5,婴儿胃液 5.0,柠檬汁 2.4,醋 3.0,葡萄汁 3.2,橙汁 3.5,尿 4.88.4,唾液 6.57.5,牛奶 6.5,乳 汁 6.0 6.9,血液、脑脊液 7.357.45,眼泪 7.4,胰液 7.5 8.0,小肠液 7.6,大肠液 8.3 8.4,一些常见体液和果汁的,pH,值,4.1,缓冲溶液,(buffer solution),及缓冲机制,加入1滴(0.05,ml)1molL,-1,HCl,加入1滴(0.05,ml)1molL,-1,NaOH,实验：,50,ml NaCl pH=3 pH=11,0.20,molL,-1,pH=7,50,ml HAc-NaAc,(,均为0.10,molL,-1,),pH=4.74,pH=4.73 pH=4.75,NaCl,HAc NaAc,绿,绿,H,+,+,红,+,OH,H,+,+,蓝,黄绿,+,OH,蓝绿,酸性 中性 碱性,通用指示剂,这种能抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释，而保持其,pH,值基本不变的溶液称为,缓冲溶液,（,buffer solution）。,其抵抗作用称为,缓冲作用,（,buffer action）。,缓冲溶液在化学和生物医学系统中占有重要地位。,思考：,按酸碱质子理论，什么样的溶液具有这种作用呢？,缓冲溶液的定义,1、,较浓的强酸或强碱,2、,两性物质,3、,足够浓度,的,共轭酸碱对,的两种物质，合称为缓冲系（,buffer system）,或缓冲对（,buffer pair）。,本章主要介绍对象,缓冲溶液的组成,某些常见的缓冲系,缓冲系,pK,a,(25)pH,范围,HAc-NaAc 4.76 3.765.76,H,2,CO,3,-NaHCO,3,6.35 5.357.35,H,3,PO,4,-NaH,2,PO,4,2.16 1.163.16,NH,4,Cl-NH,3,9.25 8.2510.25,NaH,2,PO,4,-Na,2,HPO,4,7.21 6.28.2,Na,2,HPO,4,-Na,3,PO,4,12.32 11.313.3,缓冲作用机制,以,HAc NaAc,为例来说明缓冲溶液的作用机制,HAc+H,2,O,H,3,O,+,+Ac,NaAc,Na,+,+Ac,HAc,本身为弱电解质，又由于,Ac,同离子效应的影响，故几乎全部以分子的形式存在。,在此混合体系中,：,Na,+,、,HAc、,Ac,的浓度较大,，,其中,HAc,Ac,为共轭酸碱对。,HAc+OH,Ac,+H,2,O,H,+,+,平衡右移,抗酸成分,anti-acid mechanism,H,2,O,HAc+H,2,O,H,3,O,+,+Ac,+,OH,H,2,O,平衡右移,抗碱成分,anti-base mechanism,4.2,缓冲溶液,pH,值的计算,以,HB-NaB,组成的缓冲体系为例,：,HB+H,2,O,H,3,O,+,+B,NaB,Na,+,+B,K,a,=,H,3,O,+,B,HB,H,3,O,+,=K,a,HB,B,两边同时取负对数可得,：,缓冲溶液,pH,值的近似计算公式,pH=pK,a,+lg,B,HB,=,pK,a,+lg,共轭碱,共轭酸,亨德森,(Henderson,-Hasselbalch,),方程,式中,pK,a,：,共轭酸酸常数的负对数,B,、HB,：,平衡浓度,B,/HB,：,缓冲比，,B,+HB,：,总浓度,HB,=c,HB,c,HB,解离,B,=c,NaB,+,c,HB,解离,c,HB,c,NaB,pH=pK,a,+,lg,c,B,c,HB,=,pK,a,+lg,n,B,/V,n,HB,/V,=,pK,a,+lg,n,B,n,HB,若使用相同浓度的弱酸及其共轭碱配制缓冲溶液,，,则,c,0B,=c,0,HB,（,混合前,）,。,混合体系中,pH=,pK,a,+lg,c,0B,V,B,c,0HB,V,HB,=,pK,a,+lg,V,B,V,HB,上述三种计算式是不同的表示形式。,例：,若在 50.00,ml 0.150molL,-1,NH,3,(aq),和 0.200,molL,-1,NH,4,Cl,组成的缓冲溶液中，加入0.10,ml 1.00 molL,-1,的,HCl，,求加入,HCl,前后溶液的,pH,值各为多少？,解：,加入,HCl,前:,加入,HCl,后:,NH,3,(aq)+H,2,O(l)NH,4,+,(aq)+OH,-,(aq),加,HCl,前,0.150-0.0020-,x 0.200+0.0020+x x,0.150 0.200,加,HCl,后,0.150-0.0020 0.200+0.0020,平衡浓度,当缓冲溶液中外加少量强酸时,：,根据缓冲机制和平衡移动原理：,pH=,pK,a,+lg,共轭碱,酸,外加,共轭酸+酸,外加,当缓冲溶液中外加少量强碱时,：,pH=,pK,a,+lg,共轭碱+碱,外加,共轭酸,碱,外加,讨论：,上述计算缓冲溶液,pH,值的公式是否准确、严谨？计算值与,pH,计的实验测量值是否吻合？影响因素有哪些？,1、,温度,温度变化可引起活度因子,改变；水的离子积,K,w,随温度的升高而增大；温度变化使共轭酸的,K,a,改变。总之，温度对,pH,值的影响,比较复杂，不再深入讨论。,2、,缓冲比,当,K,a,一定时，,pH,值随缓冲比的变化而变化。,3、,稀释,稀释引起离子强度的改变，故,pH,值也随之有微小的改变。,影响,pH,计算值与实验值差异的因素：,二、,缓冲溶液,pH,计算公式的校正,为使计算值准确，并与测定值接近，必须考虑离子强度的影响。,pH=,pK,a,+lg,a,(,B,),a,(,HB,),=,pK,a,+lg,B,(,B,),HB,(,HB),=,pK,a,+lg,B,HB,+,lg,(,B,),(,HB),上式即为,校正公式,校正因数，与共轭酸的电荷数和溶液的,I,有关。可查表。,4.3,缓冲容量和缓冲范围,一、缓冲容量,缓冲溶液的缓冲能力都是有限度的。,1922年，,Slyke V,提出用缓冲容量,作为衡量缓冲能力大小的尺度。,缓冲容量,buffer capacity,使单位体积缓冲溶液的,pH,值发生一定改变时所能抵抗的外加一元强酸或一元强碱的物质的量,。,平均缓冲容量,(,实验测定值,),瞬时缓冲容量,(,微分式定义,),单位：,mol,L,1,pH,1,若缓冲比,B,/,HBb/a，,则,由,微分定义式,可导出,共轭酸碱对组成的缓冲溶液的,瞬时缓冲容量,：,即,=2.303,a/(ab),b,/(,ab),c,总,单位：,mol,L,1,pH,1,=2.303,HB,/,(,HBB,),B,/,(,HBB,)c,总,二、影响缓冲容量的因素,1、缓冲比，即,B,/,HB；,2、缓冲溶液的总浓度，即,B,+,HB。,最大,1、缓冲比对缓冲容量的影响,当总浓度一定时,：,c,B,c,HB,=,1,1,(,最大,),c,B,c,HB,=,10,1,缓冲容量减小,值极小,c,B,c,HB,=,1,10,小减量容冲缓,值极小,结论：,缓冲比越接近1，缓冲容量越大。缓冲比等于1时，,最大,=0.576,c,总,2、总浓度对缓冲容量的影响,结论：,对同一缓冲溶液，当缓冲比相同时，总浓度较大的，其缓冲容量也较大。,三、缓冲范围,实验证明：,缓冲比大于10,1,或小于1,10,，,即溶液的,pH,与,pK,a,相差超过一个,pH,单位时，几乎丧失缓冲能力。,pH=,pK,a,1,又称,有效缓冲范围,（,buffer effective range,）,4.4 缓冲溶液的配制,一、缓冲溶液的配制方法,1,、选择适当缓冲系,，,pK,a,应,尽量接近目标,pH,值；,2,、总浓度适当,，,一般以,0.05,0.2molL,-1,为宜；,3,、计算所需共轭酸和共轭碱的量；,4,、仪器校正。,欲配制的缓冲溶液的,pH,值,常选择的缓冲体系,p,K,a,例题：,如何用浓度均为0.10,mol,L,1,的共轭酸和共轭碱配制100,ml pH,值为5.00的缓冲溶液。,解：,由缓冲范围的有效区间可知，所选择的缓冲对中,pK,a,值应在4 6之间。,HAc,的,pK,a,为4.75，因此可选择,HAc-Ac,缓冲对。,设需,HAc,溶液,x,ml，,则,NaAc,溶液为(100,x,)ml,因两溶液浓度相等,5.00=4.7,4+lg,100,x,x,解得：,x,=35.5 ml,将35.5,ml 0.10 mol,L,1,HAc,溶液与64.5,ml 0.10 mol,L,1,NaAc,溶液混合均匀即得。如有必要，可用,pH,计校正。,例题：,欲配制,450mL,，,pH=4.70,的缓冲溶液，取实验室中,0.10 molL,-1,的,HAc,和,0.10molL,-1,的,NaOH,溶液各多少混合即成。,解,：,因,选择,pKa=4.74,的,HAc-NaAc,为缓冲系处在缓冲范围之内,设所需,HAc,和,NaOH,的体积为,V,HAc,和,V,NaOH,，且必须,HAc,过量,则,HAc +NaOH NaAc +H,2,O,反应前,0.10,V,HAc,0.10,V,NaOH,0,反应后,0.10(,V,HAc,V,NaOH,)0 0.10,V,NaOH,根据亨德森公式,4.70=4.74+,且,V,HAc,+,V,NaOH,=450mL,计算得,V,HAc,=305mL,V,NaOH,=145mL,例题：,欲配制,37,时,pH,近似值为,7.40,的缓冲溶液，问在,Tris,和,TrisHCl,均为,0.050 mol L,-1,的,100mL,溶液中，需加入,0.050 mol L,-1,HCl,多少毫升？（已知,TrisHCl,在,37,时的,p,K,a=7.85,）,解：,设需加,HCl,x,mL,，则：,根据亨德森公式,7.40=7.85+,得,x,=48mL,注：,Tris,的化学式为,(HOCH,2,),3,CNH,2,，是一种弱碱，医学上常用。,课堂练习题,:,用,0.025molL,-1,H,3,PO,4,和,0.025molL,-1,NaOH,溶液来配制的,pH,值为,12.0,的缓冲溶液,100mL,。试计算所需,H,3,PO,4,和,NaOH,溶液的体积。,已知,pKa,1,=2.17,，,pKa,2,=7.20,，,pKa,3,=12.32,。,二、标准缓冲溶液,使用,pH,计测量溶液的,pH,值时，必须先用标准缓冲溶液标定仪器，标准缓冲溶液的,pH,值是在一定温度下通过实验准确测定的,。,常用标准缓冲溶液,表中温度系数为“+”时，表示缓冲溶液的,pH,值随温度的升高而增大；温度系数为“”时，则表示,pH,值随温度的升高而减小。在配制标准缓冲溶液时，要求水的纯度很高，一般用重蒸馏水，配制碱性(,pH7),的标准缓冲溶液时，要用新排除,CO,2,的重蒸馏水。,注：,两性物质解离生成两个缓冲对；,1mol,硼砂相当于,2mol,的偏硼酸,HBO,2,和,2mol,的偏硼酸钠,NaBO,2,。,溶 液 浓度/(,molL,-1,)pH(25),酒石酸氢钾（,KHC,4,H,4,O,4,）,饱和，25 3.557 0.001,邻苯二甲酸氢钾（,KHC,8,H,4,O,4,）0.05 4.008 0.001,KH,2,PO,4,-Na,2,HPO,4,0.025,0.025 6.865 0.003,KH,2,PO,4,-Na,2,HPO,4,0.008695,0.03043 7.413 0.003,硼砂（,Na,2,B,4,O,7,10H,2,O）0.01 9.180 0.008,4.5,血液中的缓冲系,粗略估计每人每天耗用,600,升氧气，产生,480,升二氧化碳，,21mol,碳酸，其酸量约相当于,2,升浓盐酸。,除了肺、肾的生理调节外，正常人血液的,pH,值之所以相当稳定，主要应归功于血液中存在,多种缓冲系,的缓冲作用。,其中主要的缓冲系是,H,2,CO,3,-HCO,3,-,。,碳酸在溶液中主要以溶解状态的,CO,2,形式存在。,血浆中的碳酸缓冲系,pH,值校正后的计算式为,pH=pK,a,+,lg,HCO,3,CO,2(,溶解),正常人血浆中的离子强度,I=0.16，,体温为37,C,，pK,a,=6.38,经校正后,pK,a,=6.10,，,且,HCO,3,/,CO,2(,溶解),=20/1。,正常血浆中,：,pH=6.10+lg 20/1=7.40,小结：,缓冲溶液的组成和作用,缓冲作用机制：,抗酸、抗碱成分通过平衡移动，达到保持溶液,pH,值基本不变。,pH,值的计算,(重点),pH=pK,a,+lg,共轭碱,共轭酸,有三种表示形式,公式的校正：,用活度表示浓度,校正因子,lg,B,/,HB,与溶液的离子强度及共轭酸的电荷数有关。,影响缓冲溶液,pH,值的因素：,温度、缓冲比、稀释等,缓冲容量,(重点),：缓冲能力的定量标度,=2.303,HBB,/,c,总,当缓冲比为1时，,极大,=0.576,c,总,影响缓冲容量的因素：,c,总,：总浓度较大，缓冲容量较大。,缓冲比：越趋近1，缓冲容量越大。,缓冲范围：,pH=pK,a,1,缓冲比在1,10 至10 1之间变化时，才具有一定缓冲作用，所对应的,pH,值为缓冲有效区间。,缓冲溶液的配制及计算,血液中的缓冲系,思考题：,1、单位体积缓冲溶液的,pH,值改变1个单位时，所需外加强酸或强碱的量越多，则缓冲容量就越大？,2、血浆中碳酸缓冲系的缓冲比为20,1，为何还具有较强的缓冲作用？,3、总浓度对缓冲溶液的,pH,值是否有很大的影响？,4、只要是由共轭酸碱对组成的溶液就一定有缓冲作用？,5、,pK,a,=4.75,的某缓冲溶液，总浓度一定，要使其缓冲容量最大，,pH,值应为多少？,6、在配制缓冲溶液时，选择缓冲对的依据是什么？,7、加大量的水稀释时，缓冲比不变，,pH,值能否保持基本不变，为什么？,8、缓冲溶液的有效缓冲范围与缓冲比有关吗？,9、在,HAc-Ac,缓冲溶液中，,Ac,HAc，,则其抗碱能力略大于抗酸能力？,本章作业,学习指导,P15,17,四、自测题,（一）,1,、,3,、,9,、,10,（二）,2,、,3,、,8,、,10,（三）,4,、,6,、,7,、,10,（四,)2,、,3,作业：,p67,68,习题,3,、,4,、,17,、,18,感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，,如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！,