1 / 71

缓冲溶液 在自然界普遍存在 * ，在化工生产、化学分析、分离 * 、细菌培养、药剂生产和使用，尤其在生物体内调节酸碱平衡等方面起着重要作用 * 。

第四章 缓冲溶液 (buffer solution). 缓冲溶液 在自然界普遍存在 * ，在化工生产、化学分析、分离 * 、细菌培养、药剂生产和使用，尤其在生物体内调节酸碱平衡等方面起着重要作用 * 。. 生物体内的化学反应几乎都是在特异的生物催化剂 酶的催化 下进行的。由于 pH 值的改变可影响酶蛋白的构象或影响底物的解离程度而影响酶与底物的结合或催化活性。因此，在测定酶的活性时，应选用适宜的缓冲溶液以保持 酶活性的相对恒定。 *. 【 内容提要 】. 第一节 缓冲溶液及缓冲机制 第二节 缓冲溶液 pH 的计算

chuck
Download Presentation

缓冲溶液 在自然界普遍存在 * ，在化工生产、化学分析、分离 * 、细菌培养、药剂生产和使用，尤其在生物体内调节酸碱平衡等方面起着重要作用 * 。

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第四章 缓冲溶液(buffer solution) 缓冲溶液在自然界普遍存在*，在化工生产、化学分析、分离*、细菌培养、药剂生产和使用，尤其在生物体内调节酸碱平衡等方面起着重要作用*。 生物体内的化学反应几乎都是在特异的生物催化剂酶的催化下进行的。由于pH值的改变可影响酶蛋白的构象或影响底物的解离程度而影响酶与底物的结合或催化活性。因此，在测定酶的活性时，应选用适宜的缓冲溶液以保持酶活性的相对恒定。*

  2. 【内容提要】 第一节 缓冲溶液及缓冲机制 第二节 缓冲溶液pH的计算 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

  3. 第一节 缓冲溶液及缓冲机制* 一、缓冲溶液及其作用机制 二、缓冲溶液的组成

  4. 一、缓冲溶液及其作用机制 实验1： 25 oC 时，纯水的pH=7.00, 在1L纯水溶液中加入0.01 mol的强酸(HCl)或0.01mol强碱(NaOH)，溶液的pH发生了显著变化，改变了5个pH单位。 结论： 纯水易受外加少量强酸或强碱的影响，pH发生显著变化。* 不具有抵抗外加少量强酸或强碱而使溶液的pH保持基本不变的能力。*

  5. 实验2： 在1L含HAc和NaAc均为0.1mol·L-1溶液中加入0.01mol的强酸(HCl)，溶液的pH由4.75下降到4.66，仅改变了0.09个pH单位； 若改加入0.01mol强碱(NaOH)，溶液的pH由4.75上升到4.84，也仅改变了0.09个pH单位； 此混合溶液pH改变很小。如用水稍加稀释时，亦有类似现象，即HAc-NaAc溶液pH保持基本不变。 结论： HAc-NaAc混合溶液具有抵抗外加少量强酸、强碱或稍加稀释而保持溶液的pH基本不变的能力。

  6. 缓冲溶液(buffer solution): 能够抵抗少量外来强酸、强碱或稍加稀释，而保持pH值基本不变的溶液。 缓冲作用(buffer action)： 缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。 缓冲溶液为什么具有缓冲作用？ 以HAc-NaAc缓冲系为例，说明缓冲溶液的缓冲作用原理：

  7. HAc + H2O H3O+ + Ac- NaAc Na+ + Ac- (4-1) 大量 大量 由于同离子效应，达平衡时，HAc几乎完全以分子状态存在，所以溶液中含有大量的HAc与Ac-，且为共轭酸碱对。 (1)Ac-(共轭碱)为缓冲溶液的抗酸成分*。 (2)HAc(弱酸) 为缓冲溶液的抗碱成分*。 (3)当溶液稀释时，H3O+和Ac-离子浓度同时降低，同离子效应减弱，使HAc解离度增大，HAc进一步解离产生的H+可使溶液的pH保持基本不变。*

  8. 总之，由于缓冲溶液中同时含有较大量的弱酸(抗碱成分)和共轭碱(抗酸成分)，它们通过共轭酸碱对之间的质子转移平衡的移动以达到消耗掉外来的少量强酸、强碱，或对抗稍加稀释的作用，使溶液的H+离子或OH-离子浓度没有明显的变化，因此缓冲溶液具有缓冲作用。总之，由于缓冲溶液中同时含有较大量的弱酸(抗碱成分)和共轭碱(抗酸成分)，它们通过共轭酸碱对之间的质子转移平衡的移动以达到消耗掉外来的少量强酸、强碱，或对抗稍加稀释的作用，使溶液的H+离子或OH-离子浓度没有明显的变化，因此缓冲溶液具有缓冲作用。 但缓冲溶液的缓冲作用不是无限的。

  9. 二、缓冲溶液的组成* 缓冲溶液一般由足够浓度、适当比例的共轭酸碱对的两种物质组成。 根据缓冲溶液的组成不同，可分为两种类型： （1）弱酸及其共轭碱 HAc-NaAc NaHCO3-Na2CO3 NaH2PO4-Na2HPO4 （2）弱碱及其共轭酸 NH3·H2O-NH4Cl CH3NH2-CH3NH3+Cl- （甲胺） （盐酸甲胺）

  10. 在实际应用中，往往还可采用酸碱反应的生成物与剩余的反应物组成缓冲系，如:在实际应用中，往往还可采用酸碱反应的生成物与剩余的反应物组成缓冲系，如: 弱酸(过量)+ 强碱：HAc(过量)+NaOH 强酸+弱酸的共轭碱(过量)：HCl+NaAc(过量) 实际上,形成的仍然是共轭酸碱对的两种物质。 组成缓冲溶液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)。HAc-NaAc； NH3-NH4Cl 一些常见的缓冲系列在表4-1中*

  11. 缓冲系 弱酸 共轭碱 pKa(25°C) HAc-NaAc HAc Ac - 4.76 H2CO3-NaHCO3 H2CO3HCO3- 6.35 H3PO4-NaH2PO4 H3PO4H2PO4- 2.16 Tris·HCl-TrisTris·H+Tris 7.85 H2C8H4O4-KHC8H4O4H2C8H4O4 HC8H4O4- 2.89 NH3-NH4ClNH4+NH3 9.25 CH3NH3+Cl--CH3NH2 CH3NH3+Cl-CH3NH2 10.63 NaH2PO4 -Na2HPO4H2PO4-HPO42- 7.21 Na2HPO4 –Na3PO4 HPO42- PO43- 12.32 表4-1常见的缓冲系*

  12. [补例]：将下列各组溶液等体积混合后，不属于缓冲溶液的是（）。 A. 0.2 mol·L-1Na2CO3溶液和0.2 mol·L-1NaHCO3溶液 B. 0.1mol· L-1H3PO4溶液和0.3mol· L-1 NaOH溶液 C. 0.2mol· L-1H3PO4溶液和0.1mol· L-1 NaOH溶液 D. 0.2 mol· L-1NH3溶液和0.1mol· L-1HCl溶液 E. 0.2 mol· L-1NH3溶液和0.15mol· L-1HCl溶液 B

  13. 较浓的强酸、强碱也具有缓冲作用*，但实际上很少作为缓冲溶液使用。较浓的强酸、强碱也具有缓冲作用*，但实际上很少作为缓冲溶液使用。 通常我们所说的缓冲溶液，一般是由足够浓度的共轭酸碱对的两种物质组成。 *

  14. 第二节 缓冲溶液pH的计算 【内容提要】 一、缓冲溶液pH的近似计算公式 二、缓冲溶液pH的计算公式的校正

  15. 一、缓冲溶液pH的近似计算公式* 以HB-NaB表示缓冲系，溶液中存在如下质子转移平衡：*

  16. 两边取负对数: (4-2) 式(4.2)是计算缓冲溶液pH的Henderson-Hasselbach方程式。 *又称缓冲公式 pKa为弱酸的解离常数的负对数； [B-]和[HB]均为平衡浓度。* 总浓度：[B-]+[HB]

  17. HB的浓度为c(HB) (或称起始浓度,配制浓度) *， NaB的浓度为c(NaB)；HB解离部分的浓度为c'(HB)。 则：[HB]平 = c(HB) - c'(HB) * [B-]平 = c(NaB)+ c'(HB) * [HB]平≈c(HB)，[B-]平≈c(NaB) ＝c(B-) * 式(4-2)又可表示为： (4-3)

  18. 若以n(HB)和n(B-)分别表示体积V 的缓冲溶液中所含物质的量 式(4-3)可改写为: (4-4) 若使用初始浓度相同的弱酸及其共轭碱配制缓冲溶液，即：c(HB)=c(NaB)*时，式(4-4)可改写为 (4-5)

  19. 由以上公式可知: 1.缓冲溶液的pH值取决于弱酸的解离常数Ka及[B]/[HB](缓冲比)。 同一缓冲系，pKa值一定，其pH值随缓冲比的改变而改变。改变缓冲比，可得不同pH值的缓冲溶液。当缓冲比等于1时，pH=pKa。 2.若温差不太大时，温度对pH值的影响可忽略*。 3.缓冲溶液加水稀释时，缓冲比不变，由缓冲公式计算的pH值也不变*，即有一定的抗稀释能力。 但离子强度*的改变，使[B-]及[HB]的活度系数改变，则pH值也随之有微小的变化*。 缓冲溶液pH随稀释的改变，用稀释值*表示。

  20. [例4-1]在500mL 0.200mol·L-1NH3·H2O中，加入4.78gNH4Cl固体，配制1升缓冲溶液，求此缓冲溶液的pH。 解：查表4-1，NH4+的pKa=14.00-4.75=9.25* c(NH3)=0.200/2mol·L-1=0.100mol·L-1 代入式(4-3)得:

  21. H2Cit-(aq) + OH-(aq) HCit2-(aq) + H2O(l) 例4-2 柠檬酸 (缩写H3Cit)及其盐是一种供细菌培养的常用缓冲体系，用0.100mol·L-1 NaH2Cit溶液与0.050mol·L-1 NaOH溶液等体积混合，求此缓冲溶液的pH。 解 ：查附录三表2可知，H3Cit的pKa1=3.13、pKa2=4.76、pKa3=6.40。 过量H2Cit-与OH-反应： 生成HCit2-, 剩余的H2Cit-与 HCit2-组成缓冲系 c(H2Cit-) = (0.100 - 0.050) mol·L-1 / 2 = 0.025 mol·L-1 c(HCit2-) = 0.050 mol·L-1 / 2 = 0.025 mol·L-1

  22. [补例] 计算0.10mol·L-1 NH3 20ml和0.20 mol·L-1 NH4Cl 15ml混合溶液的pH值。 解：此混合溶液的缓冲系为NH4+-NH3，查表知：pKa(NH4+)=9.25，代入公式得 =9.25-0.17=9.08 二、缓冲溶液pH的计算公式的校正*

  23. 【内容提要】 一、缓冲容量 二、影响缓冲容量的因素 三、缓冲范围 第三节 缓冲容量和缓冲范围*

  24. 为缓冲溶液pH值的改变量。 一、缓冲容量*(buffer capacity) 缓冲容量：在数值上等于使单位体积(1L或1ml)的缓冲溶液的pH值改变一个单位时，所需外加一元强酸或一元强碱的物质的量(mol或mmol)。 用微分式表示为： (4-7) 式中：V 是缓冲溶液的体积，单位为L或ml； dna(b)是缓冲溶液中加入一元强酸(dna)或一元强碱(dnb)的物质的量，单位是mol或mmol；

  25. 愈小，则β值愈大，缓冲能力愈强。 (4-7) 由式(4-7)可知： 1.β值均为正值，单位为mol·L-1 ·pH-1。 2.在同样的dna(b)和V的条件下，pH值的改变量

  26. 二、影响缓冲容量β的因素* 由式(4-7)可导出缓冲容量β与缓冲溶液总浓度(c总=[B-]+[HB])及[B-]、[HB]的关系* ： (4-8) 由式(4-8)可见* ，β与总浓度(c总)和 [B-]及[HB]有关。 由于[B-]、[HB]决定缓冲溶液的pH值，所以β随pH值的变化而变化。图4-1*

  27. *

  28. 1. 总浓度对β的影响 对于同一缓冲系，当缓冲比一定时，c总越大，β越大。 或：β极大=0.5758 c总 (4-9) 2. 缓冲比对β的影响 对于同一缓冲系，当c总一定时，缓冲比 [B-]/[HB]=1时β值最大，此时，pH=pKa 将[B-]+[HB]＝c总 , [B-]＝[HB]代入式(4-8) 总浓度相同(曲线4,5)的缓冲溶液，具有相同的β极大值，与缓冲系的种类无关*。

  29. 结论：同一缓冲系的缓冲溶液，c总一定时，缓冲比愈接近1，缓冲容量愈大；缓冲比偏离1越远，缓冲容量β值越小，pH偏离pKa越远。结论：同一缓冲系的缓冲溶液，c总一定时，缓冲比愈接近1，缓冲容量愈大；缓冲比偏离1越远，缓冲容量β值越小，pH偏离pKa越远。 3.强酸，强碱亦具有缓冲作用。* 一般来说, 当缓冲比[B-]/[HB]<1/10或[B-]/[HB]>10/1，β值太小，溶液已不具有缓冲能力*。 其对应的pH分别为： pH=pKa±1 所以：当pH=pKa±1范围内，才具有缓冲能力。

  30. 三、缓冲范围(buffer effective range)： 缓冲溶液的pH从pH=pKa-1到pH=pKa+1的取值范围定为缓冲作用的有效区间，称为缓冲溶液的有效缓冲范围。 显然：缓冲系不同，各弱酸的pKa不同，则缓冲范围不同。

  31. [例4-4]计算总浓度为0.20mol·L-1和0.05mol·L-1，缓冲比为1:1的某缓冲系的缓冲容量。[例4-4]计算总浓度为0.20mol·L-1和0.05mol·L-1，缓冲比为1:1的某缓冲系的缓冲容量。 解：根据式（4-9） 计算结果说明，总浓度对缓冲容量有较大的影响。

  32. [例4-5] 将0.20mol·L-1HB溶液和0.20mol·L-1 B-溶液以9:1、3:1及1:1的体积比混合，分别计算不同体积比时缓冲系的缓冲容量。 解：设混合时取HB溶液体积aV，取B-溶液体积bV，则在混合溶液中 c总＝[B-]+[HB]＝ 0.20mol·L-1 由式(4-8)得：

  33. 当a:b=9:1时，β＝0.041mol·L-1 当a:b=3:1时，β＝0.086mol·L-1 当a:b=1:1时，β＝0.12mol·L-1

  34. 补充. 在H3PO4溶液中加入一定量的NaOH可配成几种缓冲系不同的缓冲溶液？它们的理论缓冲范围各是多少(已知H3PO4的pKa1=2.16，pKa2=7.21，pKa3=12.32)？ 解：在H3PO4溶液中加入一定量的NaOH溶液，可以配制成三种缓冲溶液 ：H3PO4-H2PO4-、H2PO4-- HPO42-、HPO42-- PO43- 1.若加入NaOH溶液后，形成H3PO4-H2PO4-缓冲溶液，缓冲溶液的理论缓冲范围为： pH＝pKa1±1＝2.16±1=1.16～3.16

  35. 2.若加入NaOH溶液后，形成H2PO4-- HPO42-缓冲溶液，缓冲溶液的理论缓冲范围为： pH＝pKa2±1＝7.21±1=6.21～8.21 3.若加入NaOH溶液后，形成HPO42-- PO43-缓冲溶液，缓冲溶液的理论缓冲范围为： pH＝pKa3±1＝12.32±1=11.32～13.32

  36. 第四节 缓冲溶液的配制 【内容提要】* 一、缓冲溶液的配制方法 二、标准缓冲溶液

  37. 一、缓冲溶液的配制方法 欲配制具有一定pH值、且有足够缓冲能力的 溶液，应按下述原则: 1.选择适当的缓冲系* （1）具有缓冲能力,且缓冲能力愈大愈好。 (使所配制缓冲溶液的pH值在所选缓冲系的缓冲范围内，且尽可能接近所选弱酸pKa。) （2）实用性。 (所选缓冲系物质应稳定、无毒，不能与溶液中的反应物或产物发生作用。) 2.配制的缓冲溶液的总浓度要适当*。 一般为:0.05～0.2mol·L-1。

  38. 3.计算所需缓冲系的量。 一般，据所要求的pH值和所选缓冲系中共轭酸的pKa求出缓冲比。可根据具体情况选用缓冲公式(4.2)～(4.5)计算出所需弱酸及其共轭碱的量。 4.校正。按照计算结果，混合所需的弱酸和共轭碱溶液，即得所需pH值近似的缓冲溶液。 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值加以校正。

  39. 例4-6 如何配制1000ml pH＝4.50的缓冲溶液？ 解:(1)选择缓冲系（表4-1） * 由于HAc的pKa= 4.756，接近所配缓冲溶液pH＝4.50，所以可选用HAc-Ac-缓冲系。 (2)确定总浓度，计算所需缓冲系的量 在没有特殊要求下，一般具备中等缓冲能力即可(0.05～0.2mol·L-1)，并考虑计算方便，选用0.10mol·L-1的HAc和0.10mol·L-1 NaAc溶液。应用式(4-5)可得

  40. 则 ： V = 360ml 1000ml - 360ml = 640ml 即：将640ml 0.10mol·L-1HAc溶液与360ml 0.10mol·L-1NaAc溶液混合就可配制1000ml pH为4.50的缓冲溶液。如有必要，最后可用pH计校正。

  41. 例4-7 在研究酸雨造成的某地土壤的酸化问题时，需用pH=10.00的碳酸盐缓冲溶液。在500mL 0.20mol·L-1的 NaHCO3溶液中，需加入多少克碳酸钠来配制1L缓冲溶液？已知H2CO3的pKa2=10.33 解：1升缓冲溶液中 n(HCO3-)= 0.20mol·L-1×0.5L=0.10mol 根据式(4-4) n(CO32-)= 0.047mol 所需碳酸钠的质量为： 0.047mol×106g ·mol-1＝5.0g *

  42. 例4-8 用某二元弱酸H2B配制pH=6.00的缓冲溶液，求在450mL c(H2B)= 0.100mol·L-1的该弱酸溶液中，需加入0.100mol·L-1的NaOH溶液多少毫升？已知 H2B的pKa1=1.52、pKa2=6.30.(忽略溶液体积加合引起的体积变化)。 解：根据配制原则，应选HB-–B2-缓冲系。 质子转移反应分两步进行： (1) H2B + NaOH = NaHB + H2O 将H2B完全中和生成NaHB，需0.100mol·L-1 NaOH 450mL，生成NaHB的物质的量：为： 450mL × 0.100 mol · L-1=45.0mmol (2) NaHB + NaOH = Na2B + H2O

  43. 设中和部分NaHB需NaOH溶液的体积：V(NaOH)=xmL， 则生成Na2B 的物质的量：0.100xmmol， 剩余NaHB的物质的量：(45.0-0.100x) mmol， 解得：x=150 共需NaOH溶液的体积为： 450mL+150mL=600mL

  44. 根据Henderson-Hasselbaleh方程式配制的缓冲溶液的pH是近似的*。根据Henderson-Hasselbaleh方程式配制的缓冲溶液的pH是近似的*。 为了能准确而又方便地配制所需pH的缓冲溶液，科学家们经过精密细致的研究，制订了许多配制准确pH缓冲溶液的配方，根据这些现成的配方进行配制，就可得到所需pH的缓冲溶液。 在医学上广泛使用的缓冲溶液的配方列于表4-3和表4-4，以便参考使用*。

  45. * 表4-4中，Tris和Tris·HCl分别为三(羟甲基)甲胺及其盐酸盐的符号，它们的化学式为 (HOCH2)3CNH2和(HOCH2)3CNH2·HCl。 Tris是一种弱碱，其性质稳定，易溶于体液且不会使体液中的钙盐沉淀，对酶的活性几乎无影响。其共轭酸的pKa=8.08，接近于生理pH，因而广泛应用于生理、生化研究中。 在Tris缓冲溶液中加入NaCl是为了调节离子强度至0.16，使其溶液与生理盐水等渗。

  46. 适用于生理学要求的缓冲溶液pH在6～9之间， 缓冲物质不应参与或影响生化反应。 基本上符合生理、生化要求的缓冲系是三 （羟甲基）甲胺及其盐酸盐。 符号 : Tris－Tris·HCl HEPES(N-2-羟乙基对二氮己环-N′-2-乙烷磺酸)；PIPES(对二氮己环-N-N′-双(2-乙烷磺酸)。

  47. 二、标准缓冲溶液* 标准缓冲溶液性质稳定，有一定的缓冲容量和抗稀释能力。在一定温度下其pH值准确已知；在偶然沾污的条件下，pH值基本不变。 应用pH计测定溶液pH时，必须用标准缓冲溶液校正仪器。 常用的配制标准缓冲溶液的缓冲系主要有： 酒石酸盐体系(KHC4H4O6) 邻苯二甲酸盐体系(KHC8H4O4) 磷酸盐(1:1)体系(KH2PO4-Na2HPO4) 磷酸盐(1:3.5)体系 硼砂体系(Na2B4O7·10H2O)

  48. 表4-5 标准缓冲溶液 温度系数：是指温度每变化1℃时，缓冲溶液 pH的变化值。 正值：表示pH值随温度升高而升高。 负值：表示pH值随温度升高而降低。*

  49. H2C4O4O6 HC4O4O6- C4O4O62- 酒石酸氢钾、邻苯二钾酸氢钾和硼砂标准缓冲溶液，都是由一种化合物配制而成的。 原因一：化合物溶于水离解出大量的两性离子，如：酒石酸氢钾KHC4O4O6 pKa=2.98pKa=4.30 大量 大量 大量 缓冲范围重叠，缓冲能力更大。 邻苯二甲酸氢钾与酒石酸氢钾机理相同。

More Related