第四章 缓冲溶液ppt课件.ppt

1,第四章 缓冲溶液,Buffer Solution,2,第一节 缓冲溶液及缓冲机制,3,缓冲溶液示意图,1L,Add 2.0 mL 10 M HCl,1L,1.810-5M HCl,0.1M HAc+0.1MNaAc,pH=4.74,pH=4.74,0.02M HCl,pH=1.7,0.12M HAc+0.08MNaAc,pH=4.56,4,一、缓冲溶液的概念及其作用机制,定义: 加入少量强酸、强碱或稍加稀释后， 保持其pH值基本不变的溶液。 缓冲作用：缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。,5,科学研究、工业生产等许多情况下需要控制反应体系的pH值范围。人体内的各种体液都具有一定的pH值范围，如正常人血液的pH值范围为7.357.45 。细胞正常生理环境、生物体内酶催化反应等需要稳定的pH值环境。,学习缓冲溶液的意义,6,缓冲机制,以HAcNaAc缓冲体系为例：,体系中存在大量HAc和Ac,7,在HAcNaAc缓冲体系中加入少量强酸时：,平衡移动方向,8,在HAcNaAc缓冲体系中加入少量强碱时：,9,缓冲溶液的缓冲作用机制： 实质是通过共轭酸碱对之间的质子转移，消耗外来的酸和碱。即质子转移平衡的移动。 前提：足量的抗酸、抗碱成分共存。,弱酸(共轭酸) 共轭碱（弱碱） (抗碱成分) (抗酸成分),10,二、缓冲溶液的组成,缓冲溶液组成： 弱酸及其共轭碱； 弱碱及其共轭酸。,缓冲系(buffer system)、缓冲对(buffer pair)：组成缓冲溶液共轭酸碱对的两种物质。,11,表4-1 常见的缓冲体系,12,第二节 缓冲溶液 pH 的计算,弱酸（HB）和共轭碱（B）组成的缓冲溶液：,一、缓冲溶液pH近似计算公式,13,将上式两边取负对数，可得：,14,15,缓冲溶液pH值取决于共轭酸的pKa和缓冲比。2. 同一缓冲体系的缓冲溶液，其pH值随着缓冲比的改变而改变；当缓冲比1时， pH pKa。3. 温度影响pKa，故影响缓冲溶液的pH。,注意：,16,在一定范围内加水稀释时，由于缓冲比不变，缓冲溶液pH值计算结果不变。稀释过度，缓冲系物质的浓度不足，溶液丧失缓冲能力。缓冲溶液加水稀释时，实际pH值有微小改变（活度因子改变）。,4. 溶液pH值与缓冲对浓度的关系：,17,稀释值,缓冲溶液pH随溶液稀释的改变可用稀释值表示，符号：pH1/2。,Hc：浓度为 c 的缓冲溶液的pH值。pHc/2：浓度为 c 的缓冲溶液加入等体积纯水 稀释后的pH值。,H1/20：稀释后pH值增大。pH1/2 0：稀释后pH值减小。,18,解 : 缓冲体系为NH4+ NH3 , pKa(NH4+) = 14 pKb = 9.25 pH = pKa + lg n(NH3) / n(NH4+) = 9.25 + lg (0.10 20) / (0.20 15) = 9.25 0.17 = 9.08,例4-1 计算0.10 molL-1 NH3 20 mL和0.20 molL-1 NH4Cl 15 mL混合溶液的pH值。 pKb(NH3) = 4.75,19,解： （1）缓冲对为H2PO4 HPO42,例4-2 pH接近于7.0的磷酸盐缓冲溶液常用来培养酶，某种酶仅能存活在pH为6.907.15的培养液中。求含有0.225 molL-1 HPO42-和0.330 molL-1 H2PO4-的溶液的pH。若在250 mL该溶液中分别加入0.20 g及0.40 gNaOH固体，酶会分解吗？,20,（2）加入的NaOH为0.20 g 时：,由于OH的加入，引起缓冲成分浓度的改变：, 加入0.20 g NaOH，酶能稳定存在。,21,（3）加入的NaOH为0.40 g 时：,由于OH的加入，引起缓冲成分浓度的改变：, 加入0.40 g NaOH，酶会分解。,22,例. 弱酸(HB, Ca molL-1) +共轭碱(NaB, Cb molL-1) 组成的缓冲溶液的pH。,补充：缓冲溶液pH的计算（不要求掌握）,23,又： Cb = Na+ 两式相减可得： HB = Ca - H+ + OH- （3）由(1)直接可得： B- = Cb + H+ - OH- （4）,将(3)、(4)代入上式可得：,24,计算缓冲溶液H+ 的精确式：,25,26,例. 计算0.20 mol/LNH30.30 mol/L NH4Cl溶液的pH。（pKb4.76）,解：溶液为碱性，浓度较大，先用最简式计算, CNH3 OH- (10-4.94) H+ (10-9.06) 用最简式计算合适。,27,例. 计算0.10 mol/LHAc0.0020 mol/L NaAc溶液的pH。（pKa4.76）,解：溶液为酸性，浓度较小，先用最简式计算, CHAc 100H+ OH- ，但CAc-与H+ 接近 用最简式计算不合适。,28,改用近似式计算：,解方程可得：,29,二、缓冲溶液pH计算公式的校正,为校正因数，与弱酸的电荷数和溶液离子强度有关,30,补表. 不同 I 和 z 时缓冲溶液的校正因数,20,31,解：混合液中一部分HAc与NaOH作用生此NaAc，并组成HAcNaAc缓冲系,例4-3 将0.30 molL-1 HAc溶液10.0 mL与0.10 molL-1 NaOH溶液10.0 mL混合，求此混合液的pH。已知 pKa(HAc) = 4.75,近似计算：,32,I = 0.050，z = 0时，查表得校正因数= - 0.08,精确计算：,33,第三节 缓冲容量和缓冲范围,V：缓冲溶液体积，L或mL；dna(b): 缓冲溶液中加入的微小量一元强酸或 一元强碱，mol或mmol；dpH为缓冲溶液的pH的改变量；单位：浓度 pH1，实际取浓度单位；越大则缓冲能力越强。,定义：,一、缓冲容量(buffer capacity),34,例 10 mL pH为4.73的缓冲溶液中加入0.2 molL-1NaOH 0.15 mL，pH变为4.78，求此缓冲溶液的。,解：pH = 4.784.73 = 0.05 V = 10 mL n = 0.150.2 = 0.03 mmol,35,二、影响缓冲容量的因素,由的定义式可推导出如下关系：,右边分子、分母同乘以 c总HB+B，可得：,http:/,36,结论：缓冲容量与缓冲比、缓冲体系总浓度有关。,对比： pH = pKa + lg (B-/HB),缓冲比既决定pH值，又决定缓冲容量！,37,1. c总 对的影响, c总, 当缓冲比一定时，c总, , 但,38,2. 缓冲比( B- / HB )对的影响,B- / HB 1或 1 时, 变小,H = pKa 1 为有效缓冲范围,B- / HB = 0.1 时, = 0.19 c总 B- / HB = 10 时, = 0.19 c总,39,总浓度对缓冲容量有较大的影响,例4-4 计算总浓度为0.20 molL-1和0.050 mol L-1，缓冲比为1:1的缓冲系的缓冲容量。,解：根据,40,解：设混合时取HB溶液体积为a，取B-溶液体积为b，混合溶液中,例4-5 将0.20 molL-1 HB溶液和0.20 molL-1 B-溶液以9:1、3:1及1:1的体积比混合，计算各种情况下缓冲系的缓冲容量。,41,当a/b=9/1时，=0.041 molL-1当a/b=3/1时，=0.086 molL-1当a/b=1/1时，=0.12 molL-1,42,第四节 缓冲溶液的配制,配制原则,选择合适的缓冲系：pH位于缓冲范围内（pKa1）；不干扰主反应(无沉淀、配合等副反应)；医用缓冲体系：无毒、对热稳定、对酶稳定、能透过生物膜等。,一、缓冲溶液的配制方法,43,浓度合适：总浓度过低 缓冲容量过小；总浓度过高 渗透压过大。,有较好的缓冲能力：,生物医学上多用0.050.2 molL1,44,校正：pH计监测下，加强酸/强碱以校正。,配制步骤,根据配制原则选择合适的缓冲系：计算所需弱酸及其共轭碱的用量或体积：,HendersonHasselbalch方程式, 为配制方便常选用同浓度的弱酸及其共轭碱,45,配制方法共轭酸HB + 共轭碱B共轭酸HB (过量) + 强碱共轭碱B(过量) + 强酸,46,例4-6 配制100 mL pH = 5.00的缓冲溶液,解：HAc pKa4.76，接近缓冲溶液pH值5.00，选用0.10 molL-1的HAc和0.10 molL-1 NaAc。,47,即36 mL 0.10 mol L-1HAc 与 64 mL 0.10 mol L-1 NaAc混合。最后用pH计监测，用HCl 或 NaOH调整至pH= 5.00，得100 mL pH为5.00的缓冲溶液。,解得：V(Ac-) = 36 mL,V(HAc) = 10036 = 64 mL,48,解：HPr + NaOH NaPr + H2O 设需1.00 molL-1HPr溶液x mL，则 0.100 molL-11000 mL = 1.00 molL-1x mL x = 100 mL,c(HPr) + c(NaPr) = 0.100molL-1c(HPr) = 0.100molL-1c(NaPr),例4-7 用1.00 molL-1NaOH中和1.00 molL-1丙酸(用HPr代表)，配制1000 mL总浓度为0.100 molL-1pH 5.00的缓冲溶液。(丙酸pKa4.86),49,解得：c(NaPr) = 0.0580 molL-1 n(NaPr) = 0.0580 molL-11000mL,50,设需1.00 molL-1NaOH的体积为 y mL，则,因此，取1.00 molL-1HPr溶液100 mL，加入1.00 molL-1NaOH 溶液58.0 mL ，用水稀释至1000 mL， 即得总浓度为0.100 molL-1，pH值为5.00的丙酸缓冲溶液。,y = 58.0 mL,0.058 molL-11000 mL = 1.00 molL-1y mL,最后用pH计监测,51,例4-8 如何用0.50 molL-1 NaH2PO4和固体NaOH配制pH = 7.40 的缓冲溶液500 mL? (H3PO4的pKa1=2.12， pKa2=7.21， pKa3=12.67),解：根据配制原则，应选H2PO4HPO42缓冲系,H2PO4+ NaOH HPO42+ H2O,可将缓冲体系中H2PO4浓度定为0.1molL-1,52,n(HPO42-) = n(NaOH),应称取NaOH固体为： 0.0775 mol 40 gmol-1 = 3.1 g,设所需0.50 molL-1的NaH2PO4溶液体积V：, n(NaOH) = 500 mL0.155 molL-1 = 0.0775 mol,0.50molL-1 V = (0.1molL-1 +0.155molL-1)500mL,V = 255 mL,53,生理缓冲溶液：选择时应考虑pKa？有毒否?,配制时加入NaCl等以调节离子强度，使其等渗,Ka= 8.30，接近于生理pH值,医学上常用： 磷酸盐缓冲系 ：H2PO4- HPO42- 三(羟甲基)甲胺及其盐酸盐(Tris - TrisHCl) (HOCH2)3CNH2 和(HOCH2)3CNH2HCl,54,测定pH值时，用标准缓冲溶液校正pH计。,二、标准缓冲溶液,温度系数 0，pH随温度升高而增大温度系数 0，pH随温度升高而减少,1. pH准确可靠，性能稳定。2. 有较高的缓冲容量和抗稀释能力。3. 溶液的配制简便易行。,要求：,55,常用标准缓冲溶液,56,57,第五节 血液中的缓冲系,血浆中：H2CO3NaHCO3NaH2PO4Na2HPO4 HHbNaHb（血浆蛋白及其钠盐）HANaA（有机酸及其钠盐）,58,红细胞中：H2CO3KHCO3KH2PO4K2HPO4 HAKA（有机酸及其钾盐） H2bKHb（血红蛋白及其钾盐）H2bO2KHbO2（氧合血红蛋白及其钾盐）,碳酸缓冲系在血液中浓度最高，缓冲能力最大,59,H2CO3HCO3- 缓冲对的作用,H2CO3主要以溶解状态的CO2形式存在于血液中,CO2 (g),CO2 (l) + H2O HCO3- + H+,60,CO2是溶解在离子强度为0.16的血浆中，37时，pKa 应加以校正。校正后，其值为6.10。,正常人血浆中HCO3-和CO2溶解浓度分别为0.024 molL-1 和 0.0012 molL-1，,61,血液的pH值由HCO3-/CO2溶解决定,缓冲比=20/1，pH = 7.40，正常缓冲比20/1，pH 7.45， 碱中毒缓冲比20/1，pH 7.35，酸中毒,62,肺的呼吸作用：排出多余的CO2肾调节：排出过多的HCO3-,肺与肾参与调节,63,本章小结,缓冲溶液的概念、组成和缓冲作用的机理影响缓冲溶液的因素，Henderson-Hasselbalch方程式，计算缓冲溶液pH值,64,缓冲容量的概念及其影响因素，有关计算，缓冲范围，配制方式。,血液中的缓冲系和缓冲作用原理，碳酸 缓冲系。,