缓冲溶液组成及缓冲机制课件

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,四,章 缓冲溶液,(4,学时,),第一节 缓冲溶液组成及缓冲机制,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,教学要求：,掌握：,缓冲溶液的概念、组成和缓冲机理；,影响缓冲溶液,pH,的因素、应用,Henderson-,Hasselbalch,方程式计算缓冲溶液,pH,值；缓冲容量的概念、影响因素及有关计算。,理解：,配制缓冲溶液的原则和方法；血液中的主要缓冲系及在稳定血液,pH,过程中的作用。,了解：,医学上常用缓冲溶液配方和标准缓冲溶液。,人体各种体液的,pH,值,体液,pH,体液,pH,血清,7.35,7.45,大肠液,8.3,8.4,成人胃液,0.9,1.5,乳液,6.6,6.9,婴儿胃液,5.0,泪液,7.4,唾液,6.35,6.85,尿液,4.8,7.5,胰液,7.5,8.0,脑脊液,7.35,7.45,小肠液,7.6,左右,生物体液都有各自相对稳定的,pH,值。比如血液,pH=7.357.45,，超过此范围，就会引起酸或者碱中毒。而生物体自身代谢也能产生一些酸碱物质，如柠檬酸、乳酸等。从体外也能引入酸碱物质，但体液,pH,值并不以这些酸碱物质的摄入而改变,体液的缓冲作用。,缓冲作用的意义,1,、本章所讨论的缓冲作用原理，将直接应用于后续课程如病理学、生理学中，用于理解和探讨人体生理机制和病理生理变化，尤其是体液的酸碱平衡、水盐代谢等正常状态和失调等原因。,2,、应用于基础医学和临床医学研究中，尤其是在细胞生物学，生物化学，微生物学和免疫学实验中，广泛使用缓冲溶液来维持研究体系的酸碱环境。,第一节 缓冲溶液组成及缓冲机制,一、缓冲溶液的缓冲作用和组成,二、缓冲机制,0.10 molL,-1,NaCl,溶液,NaCl,溶液中加入,HCl,到,0.010 molL,-1,，溶液的,pH,由,7,变为,2,，改变了,5,个,pH,单位。,一、缓冲溶液的缓冲作用和组成,0.10 molL,-1,HAc,0.10 mol,L,-1,NaAc,溶液,0.10 molL,-1,HAc, 0.10 molL,-1,NaAc,溶液溶液中加入,HCl,到,0.010 molL,-1,，溶液的,pH,由,4.75,变为,4.74,，改变仅,0.01pH,单位。,(,一,),缓冲溶液,(buffer solution),:,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。,(,二,),缓冲作用,(buffer action),：,缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。,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。,(,三,),缓冲溶液的组成,缓冲溶液一般由足够浓度的共轭酸碱对的两种物质组成。,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,；,NH,3,-NH,4,Cl,1,、,弱酸及其共轭碱,如,：,HAc,/,NaAc,; H,2,CO,3,/NaHCO,3,2,、,弱碱及其共轭酸,如,：,NH,3,H,2,O,/NH,4,Cl,；,CH,3,NH,2,/CH,3,NH,3,+,Cl,-,3,、,多元酸酸式盐及其共轭碱,如,：,NaHCO,3,/Na,2,CO,3,；,NaH,2,PO,4,/Na,2,HPO,4,常见的缓冲系,共轭酸,HAc,NH,4,Cl,H,2,PO,4,-,共轭碱,NaAc,NH,3,H,2,O,HPO,4,2-,缓冲对,抗,碱,成分,Anti-Base component,抗,酸,成分,Anti-Acid component,在,20,ml,、,0.1mol/L,HAc,溶液中，加入,10,ml,、,0.1mol/L,NaOH,，,这个溶液是否缓冲溶液？,HAc,+,NaOH,NaAc,+ H,2,O,QUESTION,二、缓冲机制,*,以,HAc,-,NaAc,缓冲系为例,:,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,*,。,HAc,+ H,2,O H,3,O,+,+ Ac,-,NaAc,Na,+,+ Ac,-,大量,大量,HAc,(,大量,),H,+,Ac,-,(,大量,),H,+,抗酸机制,Anti-Acid,Mechanism,平衡向左移动,少量,HCl,NaAc,Na,+,+,HAc,(,大量,),H,+,Ac,-,(,大量,),OH,-,+,H,2,O,抗碱机制,Anti-Base,Mechanism,平衡向右移动,少量,N,aOH,NaAc,Na,+,+,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,),，它们通过弱酸解离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。,第二节 缓冲溶液,pH,的计算,一、缓冲溶液,pH,的计算公式,二、缓冲溶液,pH,的计算公式的校正,一、缓冲溶液,pH,的计算公式,*,以,HB-,NaB,表示缓冲系，溶液中存在如下质子转移平衡：,两边取负对数,:,式,(4.2),是计算缓冲溶液,pH,的,Henderson-,Hasselbach,方程式。,*,又称,缓冲公式,p,K,a,为弱酸的解离常数的负对数；,B,-,和,HB,均为平衡浓度。,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),。,式又可表示为：,则：,HB,平,=,c,(HB) -,c,(HB),*,B,-,平,=,c,(,NaB,)+,c,(HB),*,HB,平,c,(HB),，,B,-,平,c,(,NaB,),c,(B,-,),*,式,(,4.3,),可改写为,:,若缓冲溶液的体积以,V,表示，则,由上面公式可知,:,缓冲溶液的,pH,值取决于弱酸的解离常数,K,a,及,B/HB,(,缓冲比,),。,由上面公式可知,:,缓冲溶液的,pH,值取决于弱酸的解离常数,K,a,及,B/HB,(,缓冲比,),。,若温差不太大时，温度对,pH,值的影响可忽略,*,。,例,4-1,计算,0.10molL,-1,NH,3,20ml,和,0.20 molL,-1,NH,4,Cl 15ml,混合溶液的,pH,值。,解：此混合溶液的缓冲系为,NH,4,+,-NH,3,，查表知：,p,K,a,(NH,4,+,)=9.25,，代入公式得,=9.25-0.17=9.08,例,4-2,在80,mL0.10mol,L,-1,HAc,加入40,mL,0.10mol,L,-1,NaOH,，,求此溶液的,pH。（,HAc,的,K,a,=1.7510,-5,）,解,HAc,+,NaOH NaAc,+H,2,O,HAc,过量,，,故该溶液是,HAc,-,NaAc,缓冲系,n,（HAc）=0.1（80-40）= 4mmol,n,（Ac,-,）=0.140 = 4mmol,pH=,p,K,a,+ =4.75+ = 4.75,NH,3,H,2,O,-NH,4,Cl,缓冲溶液：,pH =,p,K,a,弱碱与其共轭酸组成缓冲溶液,Na,2,HPO,4,-Na,3,PO,4,缓冲溶液：,NaHCO,3,-Na,2,CO,3,缓冲溶液,：,多元酸酸式盐与其共轭碱缓冲溶液,例,4-3,取,0.10molL,-1,KH,2,PO,4,10ml,与,0.20 molL,-1,Na,2,HPO,4,1.0ml,混合,求其混合溶液的,pH,值。,解：此混合溶液的缓冲系为,H,2,PO,4,-,-HPO,4,2-,，查表知,H,2,PO,4,-,的,p,K,a,2,=7.21,，,代入公式得,=7.21-0.70=6.51,二、缓冲溶液,pH,的计算公式的校正,(,略,),*,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,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：,式中：,V,是缓冲溶液的体积，单位为,L,或,ml,；,d,n,a,(b),是缓冲溶液中,加入一元强酸,(,d,n,a,),或一元强碱,(,d,n,b,),的物质的量，单位是,mol,或,mmol,；,为缓冲溶液,pH,值的改变量。,由,上,式可知：,1.,值均为正值。,2.,值愈大，缓冲能力愈强,。,由式可导出缓冲容量,与缓冲溶液,B,-,、,HB,及总浓度,(,c,总,=,B,-,+,HB,),的,关系,*,：,2.303,B,-,HB,/,c,总,在,100,ml, pH=4.73,的缓冲溶液中,加入,0.003,molNaOH,缓冲溶液的,pH,值变为,4.78,，求此缓冲溶液的缓冲容量。,解：,pH=4.78-4.73=0.05,n,=3/100=0.03,example,编号,缓冲比 加,NaOH,后的,c,总,Ac,-,/,HAc, pH pH pH,1,2,3,4,0.2 1:1 4.75 4.76 0.01 0.1,0.02 1:1 4.75 4.83 0.08 0.013,0.2 1:9 3.80 3.83 0.03 0.034,0.2 9:1 5.70 5.72 0.02 0.05,二、影响缓冲容量,的因素,*,向,50.0,mL,总浓度为,0.2,molL,-1,HAc,-Ac,-,的缓冲溶液中，加入,0.05,mL,1.0,molL,-1,的,NaOH,溶液，根据不同缓冲比时，各溶液,pH,的变化情况，可算出相应的,c,总,一定，缓冲比,B,-,/HB=1,时,值最大，此时，,pH=,p,K,a,，,缓冲比偏离,1,越远，,pH,偏离,p,K,a,越远，,缓冲容量,值越小。,与,总浓度,(,c,总,),和,缓冲比,(,B,-,/HB,),有关。,1.,当,缓冲比,一定时，,c,总,越大，,越大,。,2.,缓冲容量与缓冲比的关系,2.303B,-,HB,/c,总,极大,2.303(,c,总,/2)(,c,总,/2)/,c,总,极大,=,0.576,c,总,总浓度相同,(,曲线,4,5),的缓冲溶液，具有相同的,极大,值，与缓冲系的种类无关。,缓冲容量,与,pH,的关系,（,1,）,HCl,（,2,）,0.1 molL,-1,HAc,+,NaOH,（,3,）,0.2 mol,L,-1,HAc,+,NaOH,（,4,）,0.05 mol,L,-1,KH,2,PO,4,+NaOH,（,5,）,0.05 mol,L,-1,H,2,BO,3,+NaOH,（,6,）,NaOH,三、缓冲范围,缓冲溶液,pH=,p,K,a,1,变化范围称为缓冲范围。,缓冲系不同，各弱酸的,p,K,a,不同，则缓冲范围不同。,值极小,(,最大,),值极小,缓冲容量减弱,缓冲容量减弱,pH=,p,K,a,1,pH=,p,K,a,1,pH=,p,K,a,pH=,p,K,a,1,第四节 缓冲溶液的配制,一、缓冲溶液的配制方法,二、标准缓冲溶液,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,*,a.,具有缓冲能力,且缓冲能力愈大愈好。,(,使所配制的缓冲溶液的,pH,值在所选缓冲系的缓冲范围内。且尽可能选,p,K,a,更接近欲配制溶液的,pH,值的缓冲系,),b.,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,:,0.05,0.2molL,-1,。,一、缓冲溶液的配制方法,一般，据所要求的,pH,值和所选缓冲系中共轭酸的,p,K,a,求出缓冲比。可根据具体情况选用,公,式,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。,3.,计算各缓冲成分所需要的量,。,例,4-5,如何配制,100ml pH,约为,5.00,的缓冲溶液？,解,(1),选择缓冲系,由于,HAc,的,p,K,a,= 4.76,，接近所配缓冲溶液,pH 5.00,，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,(,0.05,0.2molL,-1,),，并考虑计算方便，选用,0.10molL,-1,的,HAc,和,0.10molL,-1,NaAc,溶液。应用,公式,可得,则 ：,V = 64ml,100ml - 64ml = 36ml,即：将,36ml 0.10molL,-1,HAc,溶液与,64ml 0.10molL,-1,NaAc,溶液混合就可配制,100ml pH,为,5.00,的缓冲溶液。如有必要，最后可用,pH,计校正。,例,4-6,配制,1L pH=10.0,的,NH,3,-NH,4,Cl,缓冲溶液，已用去,350ml15molL,-1,氨水，问需氯化铵多少克？已知,K,b,(NH,3,)=1.810,-5,，,M,(NH,4,Cl)=53.5g,mol,-1,。,解,：,m,(NH,4,Cl) = 50g,即：,p,K,a,9.25,例,4-7,用某二元弱酸,H,2,B,配制,pH=6.00,的缓冲溶液，应在450,mL,c,（H,2,B）=0.100molL,-1,的溶液中加入0.100,molL,-1,NaOH,的溶液多少毫升？已知,H,2,B,的,p,K,a1,=1.52、p,K,a2,=6.30。,解,根据配制原则，应选,HB,-,-B,2-,缓冲系，质子转移反应分两步进行：,（1）,H,2,B+NaOH=NaHB+H,2,O,将,H,2,B,完全中和生成,NaHB，,需0.100,molL,-1,NaOH 450mL，,生成,NaHB,450,mL,0.100 molL,-1,=45.0mmol,（2）,NaHB+NaOH=Na,2,B+H,2,O,设中和部分,NaHB,需,NaOH,溶液的体积,V,（NaOH）=,x,mL，,则生成,Na,2,B 0.100,x,mmol，,剩余,NaHB（45.0-0.100,x,）mmol，,pH=p,K,a2,+,6.00=6.30+,解得,x,=150 mL,共需,NaOH,溶液的体积为 450,mL+150mL=600mL,例,4-8,现需要,pH=10.00,的碳酸盐缓冲溶液1,L，,问在500,mL 0.20molL,-1,的,NaHCO,3,溶液中，需加入多少克碳酸钠来配制。（已知,H,2,CO,3,的,p,K,a2,=10.25）,解,1,L,缓冲溶液中,n,（HCO,-,3,）=0.20 molL,-1,0.50L=0.10mol,则,pH=p,K,a2,+,10.00=10.25+,解得,n,（CO,3,2-,）=0.056mol,所需碳酸钠的质量,m,=,n,（Na,2,CO,3,）,M,（Na,2,CO,3,）,= 0.056 mol 106gmol,-1,=6.0g,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,*,表,4-6,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,(HOCH,2,),3,CNH,2,和,(HOCH,2,),3,CNH,2,HCl,。,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。,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。,二、标准缓冲溶液,*,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。,常用的配制标准缓冲溶液的缓冲系主要有：,酒石酸盐体系,(,KHC,4,H,4,O,6,),邻苯二甲酸盐体系,(,KHC,8,H,4,O,4,),磷酸盐,(1:1),体系,(,KH,2,PO,4,-Na,2,HPO,4,),硼砂体系,(,Na,2,B,4,O,7,10H,2,O,),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。,*,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,KHC,4,H,4,O,6,C,4,H,4,O,6,2-,HC,4,H,4,O,6,-,H,2,C,4,H,4,O,6,大量 大量 大量,缓冲范围重叠，缓冲能力更大。,邻苯二甲酸氢钾与上例机理相同。,p,K,a,=2.98,p,K,a,=4.30,原因二,：化合物溶解后可形成缓冲对。,如硼砂：,Na,2,B,4,O,7,10H,2,O,可形成：,2HBO,2,+ 2BO,2,-,偏硼酸 偏硼酸根,第五节 血液中的缓冲系,缓冲溶液在医学中非常重要。,在体外，微生物的培养、组织染色、血液的冷藏保存都需要一定,pH,的缓冲溶液；在药剂生产上，根据人的生理状况即药物稳定性和溶解度等情况，选择适当的缓冲溶液来稳定溶液的,pH,值。,人体内极为复杂的物质代谢反应都是受各种酶控制的，而每种酶又只有在一定,pH,范围的体液中才有活性，如胃蛋白酶的适宜,pH,为,1.5,2.0,范围。,人体内各种体液都有一定的较稳定的,pH,范围，超出正常范围太大,可能引起机体内许多功能失调。,在生命活动过程中，会不断地产生酸性物质，如碳酸、乳酸等；也会不断地产生碱性物质，如碳酸氢盐,(,HCO,3,-,),、磷酸氢盐,(,HPO,4,2-,),等。另外，人们摄取的食物中也有相当数量的酸性或碱性物质。尽管如此健康人的血液的,pH,值总是保持在,7.35,7.45,的范围内，且不会发生显著的改变。,如果血液的,pH,值降低到,7.35,以下，人要发生酸性中毒；降低到,7.1,以下一般便要死亡。同样，血液的,pH,值上升到,7.45,以上，人要发生碱性中毒，上升到,7.6,以上，一般也会死亡。,血液的,pH,值是如何调节的？,血液中的缓冲系：,即,：,K-HbO,2,/ H-HbO,2,碳酸在溶液中主要是以溶解状态的,CO,2,形式存在,在,CO,2,(,溶解,),-,HCO,3,-,缓冲系中存在如下平衡。,CO,2(,溶解,),+ H,2,O H,2,CO,3,H,+,+HCO,3,-,碳酸缓冲系中的抗酸成分,HCO,3,-,挥缓冲作用,:,酸性物质进入血液时,HCO,3,-,+ H,+,H,2,CO,3,CO,2,+ H,2,O,过多的,CO,2,主要通过血红蛋白和氧合血红蛋白运送到肺部排出体外。,抗碱成分,H,2,CO,3,离解出来的,H,+,与之结合成极难离解的,H,2,O,。,消耗的,H,+,由,H,2,CO,3,的离解来补充。,碱性物质进入血液时,H,2,CO,3,HCO,3,-,+ H,+,OH,-,H,2,O,+,血浆中的碳酸缓冲系,pH,的计算方程式为：,正常人血浆中,HCO,3,-,和,CO,2,溶解,的浓度分别为,0.024molL,-1,和,0.0012molL,-1,，代入上式,在体内,HCO,3,-,是血浆中含量最多的抗酸成分,所以将血浆中的,HCO,3,-,称为,碱储,。,正常血浆中,HCO,3,-,-CO,2,(,溶解,),缓冲系的缓冲比,为,20:1,已超出体外缓冲溶液有效缓冲比,(,即,10:1,1:10,),的范围，该缓冲系的缓冲能力应该很小。而事实上，在血液中它们的缓冲能力是很强的。,这是因为体内是一个,“,敞开系统,”,，当,血浆中有过多的酸、碱引入,，,HCO,3,-,或,CO,2,(,溶解,),的浓度改变可由呼吸作用和肾的生理功能获得补充或调节，使得血液中的,HCO,3,-,和,CO,2,(,溶解,),的浓度保持相对稳定,(,20:1,),。,当血液中,H,增加时,，,H,HCO,3,CO,2,（溶解）,(,增加,),肺 加快呼吸速度排除,CO,2,HCO,3,-,(,减少,),肾 延长,HCO,3,-,停留时间,(,或回吸收,),血液中碳酸缓冲系与肺和肾的的调节关系可,用下式表示：,当血液中,OH,-,增加时,，,OH,H,2,CO,3,CO,2,（溶解）,(,减少,),肺 降低,CO,2,排出量,HCO,3,-,(,增加,),肾 增加,HCO,3,的排泄,如果由于某些疾病使代谢发生障碍，体内聚积过多的酸或碱，就可能出现酸中毒和碱中毒症状。临床上常用乳酸钠治疗酸中毒，用氯化铵矫正碱中毒。,含,0.05%,吐温,20,的,pH7.4,的磷酸盐缓冲液,(,简称为,PBS,T),配制方法为：,称取磷酸二氢钾,(KH,2,PO4),，磷酸氢二钠,(Na,2,HPO,4,12H,2,O),，氯化钠,(NaCl),，氯化钾,(KCl),，吐温,20,，加水。,PBS,缓冲液,封闭剂应该封闭所有未结合位点而不替换膜上的靶蛋白、不结合靶蛋白的标委、也不与抗体或检测试剂有交叉反应。,Tween-20,有复性抗原的作用，可提高特异性的识别能力。在做,westen blot,时，用惰性蛋白质或非离子去污剂封闭膜上的未结合位点，可以降低抗体的非特异性结合。最常见的封闭剂是,BSA,、脱脂奶粉、酪蛋白、明胶和,Tween-20,（,0.05 0.1%,）稀溶液。,