第四章-缓冲溶液

第四章第四章-缓冲溶液缓冲溶液第一节第一节缓冲溶液及缓冲机制缓冲溶液及缓冲机制2缓缓冲冲溶溶液液示示意意图图1LAdd2.0mL10MHCl1L1.810-5MHCl0.1MHAc+0.1MNaAcpH=4.74pH=4.740.02MHClpH=1.70.12MHAc+0.08MNaAcpH=4.563一、缓冲溶液的概念及其作用机制一、缓冲溶液的概念及其作用机制n定义定义:加入少量强酸、强碱或稍加稀释加入少量强酸、强碱或稍加稀释后，后，保持其保持其pH值基本不变的溶液。值基本不变的溶液。n缓冲作用：缓冲溶液对强酸、强碱或稀缓冲作用：缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。释的抵抗作用。4科学研究、工业生产等许多情况下需要科学研究、工业生产等许多情况下需要控制反应体系的控制反应体系的pH值范围。值范围。人体内的各种体液都具有一定的人体内的各种体液都具有一定的pH值范值范围，如正常人血液的围，如正常人血液的pH值范围为值范围为7.357.45。细胞正常生理环境、生物体内酶催化反细胞正常生理环境、生物体内酶催化反应等需要稳定的应等需要稳定的pH值环境。值环境。学习学习缓冲溶液的意义缓冲溶液的意义5缓冲机制缓冲机制以以HAcNaAc缓冲体系为例：缓冲体系为例：HAc+H2OH3O+Ac因因NaAc的同离子效应的同离子效应抑制了抑制了HAc的解离的解离体系中存在大量体系中存在大量HAc和和Ac6在在HAcNaAc缓冲体系中加入少量强酸时：缓冲体系中加入少量强酸时：HAc+H2OH3O+Ac+外来外来H+平衡移动方向平衡移动方向平衡移动结果：平衡移动结果：外来外来H+被消耗。溶液被消耗。溶液pH没有明没有明显降低显降低抗酸缓冲作用抗酸缓冲作用7在在HAcNaAc缓冲体系中加入少量强碱时：缓冲体系中加入少量强碱时：平衡移动结果：平衡移动结果：外来外来OH被消耗。被消耗。HAc解离补充了解离补充了消耗的消耗的H，pH没有明显升高没有明显升高抗碱缓冲作用抗碱缓冲作用HAc+H2OAc+H3O+8缓冲溶液的缓冲作用机制：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。即质子转移平衡移，消耗外来的酸和碱。即质子转移平衡的移动。的移动。前提：足量的抗酸、抗碱成分共存。前提：足量的抗酸、抗碱成分共存。弱酸弱酸(共轭酸共轭酸)共轭碱（弱碱）共轭碱（弱碱）(抗碱成分抗碱成分)()(抗酸成分抗酸成分)9二、缓冲溶液的组成二、缓冲溶液的组成缓冲溶液组成：缓冲溶液组成：弱酸及其共轭碱；弱酸及其共轭碱；弱碱及其共轭酸。弱碱及其共轭酸。共轭酸碱对共轭酸碱对n缓冲系缓冲系(buffersystem)、缓冲对、缓冲对(bufferpair)：组成缓冲溶液共轭酸碱对的两种物质。组成缓冲溶液共轭酸碱对的两种物质。10表表4-1 常见的缓冲体系常见的缓冲体系11第二节第二节缓冲溶液缓冲溶液pH 的计算的计算HB+H2OH3O+B-+B-NaBNa+弱酸（弱酸（HB）和共轭碱（）和共轭碱（B）组成的缓冲溶液：）组成的缓冲溶液：一、缓冲溶液一、缓冲溶液pH近似计算公式近似计算公式12将上式两边取负对数，可得：将上式两边取负对数，可得：Henderson-Hasselbalch方程式方程式亨德森亨德森-哈塞巴赫方程式哈塞巴赫方程式缓冲比缓冲比13-aHBBlgpKpH+=HBBacclgpK-+同离子效应同离子效应HBBannlgpK-+物质的量来表示物质的量来表示141.缓冲溶液缓冲溶液pH值取决于共轭酸的值取决于共轭酸的pKa和和缓冲缓冲比比。2.同一缓冲体系的缓冲溶液，其同一缓冲体系的缓冲溶液，其pH值随着缓值随着缓冲比的改变而改变；当缓冲比冲比的改变而改变；当缓冲比1时，时，pHpKa。3.温度影响温度影响pKa，故影响缓冲溶液的，故影响缓冲溶液的pH。注意：注意：-aHBBlgpKpH+=15在一定范围内加水稀释时，由于缓冲比在一定范围内加水稀释时，由于缓冲比不变，缓冲溶液不变，缓冲溶液pH值计算结果不变。值计算结果不变。稀释过度，缓冲系物质的浓度不足，溶稀释过度，缓冲系物质的浓度不足，溶液丧失缓冲能力。液丧失缓冲能力。缓冲溶液加水稀释时，实际缓冲溶液加水稀释时，实际pH值有微小值有微小改变（活度因子改变）。改变（活度因子改变）。4.溶液溶液pH值与缓冲对浓度的关系：值与缓冲对浓度的关系：-aHBBlgpKpH+=16稀释值n缓冲溶液缓冲溶液pH随溶液稀释的改变可用随溶液稀释的改变可用稀释稀释值值表示，符号：表示，符号：pH1/2。pHc：浓度为：浓度为c 的缓冲溶液的的缓冲溶液的pH值。值。pHc/2：浓度为：浓度为c 的缓冲溶液加入等体积纯水的缓冲溶液加入等体积纯水稀释后的稀释后的pH值。值。pH1/20：稀释后稀释后pH值增大。值增大。pH1/20：稀释后稀释后pH值减小。值减小。17解解:缓冲体系为缓冲体系为NH4+NH3,pKa(NH4+)=14pKb=9.25pH=pKa+lgn(NH3)/n(NH4+)=9.25+lg(0.1020)/(0.2015)=9.250.17=9.08例例4-1计算计算0.10molL-1NH320mL和和0.20molL-1NH4Cl15mL混合溶液的混合溶液的pH值。值。pKb(NH3)=4.75-aHBBlgpKpH+=18解解：（1）缓冲对为）缓冲对为H2PO4HPO42例例4-2pH接近于接近于7.0的磷酸盐缓冲溶液常用来的磷酸盐缓冲溶液常用来培养酶，某种酶仅能存活在培养酶，某种酶仅能存活在pH为为6.907.15的培养液中。求含有的培养液中。求含有0.225molL-1HPO42-和和0.330molL-1H2PO4-的溶液的的溶液的pH。若在。若在250mL该溶液中分别加入该溶液中分别加入0.20g及及0.40gNaOH固固体，酶会分解吗？体，酶会分解吗？19（2）加入的）加入的NaOH为为0.20g时：时：由于由于OH的加入，引起缓冲成分浓度的改变：的加入，引起缓冲成分浓度的改变：加入加入0.20gNaOH，酶能稳定存在。，酶能稳定存在。20（3）加入的）加入的NaOH为为0.40g时：时：由于由于OH的加入，引起缓冲成分浓度的改变：的加入，引起缓冲成分浓度的改变：加入加入0.40gNaOH，酶会分解。，酶会分解。21例例.弱酸弱酸(HB,CamolL-1)+共轭碱共轭碱(NaB,CbmolL-1)组成的缓冲溶液的组成的缓冲溶液的pH。补充补充：缓冲溶液：缓冲溶液pH的计算（的计算（不要求掌握不要求掌握）HB+H2OH3O+B-+B-NaBNa+22v电荷平衡：电荷平衡：Na+H+=OH-+B-（1）v物料平衡：物料平衡：Ca+Cb=HB+B-（2）又：又：Cb=Na+两式相减可得：两式相减可得：HB=Ca-H+OH-（3）由由(1)直接可得：直接可得：B-=Cb+H+-OH-（4）将将(3)(3)、(4)(4)代入上式可得：代入上式可得：23v计算缓冲溶液计算缓冲溶液H+的精确式：的精确式：v计算计算H+的近似式和最简式：的近似式和最简式：（1）溶液为酸性时，）溶液为酸性时，H+OH-近似式近似式24（2）溶液为酸性时，）溶液为酸性时，H+OH-且且Ca20H+；Cb20H+时：时：最简式最简式（3）同理，溶液为碱性时，）同理，溶液为碱性时，OH-H+；且且Ca20OH-；Cb20OH-时：时：碱碱酸酸最简式最简式25例例.计算计算0.20mol/LNH30.30mol/LNH4Cl溶溶液的液的pH。（。（pKb4.76）解：解：溶液为碱性，浓度较大，先用最简式计算溶液为碱性，浓度较大，先用最简式计算CNH3OH-(10-4.94)H+(10-9.06)用最简式计算合适。用最简式计算合适。26例例.计算计算0.10mol/LHAc0.0020mol/LNaAc溶液的溶液的pH。（。（pKa4.76）解：解：溶液为酸性，浓度较小，先用最简式计算溶液为酸性，浓度较小，先用最简式计算CHAc100H+OH-，但，但CAc-与与H+接近接近用最简式计算不合适。用最简式计算不合适。27改用近似式计算：改用近似式计算：解方程可得：解方程可得：28二、缓冲溶液二、缓冲溶液pH计算公式的校正计算公式的校正为校正因数，与为校正因数，与弱酸弱酸的电荷数的电荷数和溶液和溶液离子强度离子强度有关有关29 Iz=+1z=0z=-1z=-20.01+0.04-0.04-0.13-0.220.05+0.08-0.08-0.25-0.420.10+0.11-0.11-0.32-0.53补表补表.不同不同 I 和和z时缓冲溶液的校正因数时缓冲溶液的校正因数2030解：解：混合液中一部分混合液中一部分HAc与与NaOH作用生此作用生此NaAc，并组成并组成HAcNaAc缓冲系缓冲系 例例4-3将将0.30molL-1HAc溶液溶液10.0mL与与0.10molL-1NaOH溶液溶液10.0mL混合，求此混合液混合，求此混合液的的pH。已知。已知pKa(HAc)=4.75近似计算：近似计算：31I=0.050，z=0时，查表得校正因数时，查表得校正因数=-0.08精确计算：精确计算：32第三节第三节缓冲容量和缓冲范围缓冲容量和缓冲范围nV：缓冲溶液体积，：缓冲溶液体积，L或或mL；ndna(b):缓冲溶液中加入的微小量一元强酸或缓冲溶液中加入的微小量一元强酸或一元强碱，一元强碱，mol或或mmol；ndpH为缓冲溶液的为缓冲溶液的pH的改变量；的改变量；n单位：浓度单位：浓度pH1，实际取浓度单位；，实际取浓度单位；n越大则缓冲能力越强。越大则缓冲能力越强。定义：定义：一、缓冲容量一、缓冲容量(buffercapacity)33例例10mLpH为为4.73的缓冲溶液中加入的缓冲溶液中加入0.2molL-1NaOH0.15mL，pH变为变为4.78，求此，求此缓冲溶液的缓冲溶液的。解：解：pH=4.784.73=0.05V=10mLn=0.150.2=0.03mmol34二、影响缓冲容量的因素二、影响缓冲容量的因素由由的定义式可推导出如下关系：的定义式可推导出如下关系：右边分子、分母同乘以右边分子、分母同乘以c总总HB+B，可得：，可得：http:/ 尿排出尿排出H+OH-62本章小结本章小结n缓冲溶液的概念、组成和缓冲作用的机理缓冲溶液的概念、组成和缓冲作用的机理n影响缓冲溶液的因素，影响缓冲溶液的因素，Henderson-Hasselbalch方程式，计算缓冲溶液方程式，计算缓冲溶液pH值值63n缓冲容量的概念及其影响因素，有关计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。算，缓冲范围，配制方式。n血液中的缓冲系和缓冲作用原理，碳酸血液中的缓冲系和缓冲作用原理，碳酸缓冲系。缓冲系。64