第四章 緩沖溶液

1、第一節(jié)第一節(jié) 緩沖溶液的基本概念緩沖溶液的基本概念第二節(jié)第二節(jié) 緩沖溶液緩沖溶液pH值的計算值的計算第三節(jié)第三節(jié) 緩沖容量緩沖容量第四節(jié)第四節(jié) 緩沖溶液的配制緩沖溶液的配制第五節(jié)第五節(jié) 緩沖溶液在醫(yī)學(xué)上的意義緩沖溶液在醫(yī)學(xué)上的意義4-1 緩沖溶液的基本概念緩沖溶液的基本概念許多反應(yīng)，往往都需要在一定的許多反應(yīng)，往往都需要在一定的pH值條件下才能正常進(jìn)行。值條件下才能正常進(jìn)行。如反應(yīng)：如反應(yīng)：M2+H2Y=MY+2H+要求在要求在pH=7.0左右才能正常進(jìn)行左右才能正常進(jìn)行 一、緩沖作用 pH=3 pH=0.091L純水中純水中 (pH= 7 )+1 molL-1 HCl 0.1 mlpH=4

2、pH=3+1 molL-1 NaOH 0.1 mlpH=101L含含0.05mol HAc和和0.05mol NaAc的溶液的溶液(pH=4.75 )+1 molL-1 HCl 10 mlpH=4.66 pH=0.09+1 molL-1 NaOH 10 mlpH=4.84緩沖溶液：能夠抵抗外來少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稍加緩沖溶液：能夠抵抗外來少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稍加稀釋而保持稀釋而保持pH基本不變的溶液。基本不變的溶液。(buffer solution)HAcNaAc體系體系同時大量存在同時大量存在Ac- + H3O + HAc +H2O H+不會顯著變化不會顯著變化加少量加少量強(qiáng)酸強(qiáng)酸 HAc +H2O

3、 H3O + + Ac-Ac-是是抗酸組分抗酸組分 二、緩沖作用機(jī)理一對共軛酸堿對一對共軛酸堿對HAc + OH-H2O + Ac-加少量加少量強(qiáng)堿強(qiáng)堿OH-OH-不會顯著變化不會顯著變化HAc是是抗堿組分抗堿組分 HAc +H2O H3O+ + Ac-H3O+ + OH-2H2OH+不會顯著變化不會顯著變化緩沖溶液的緩沖溶液的的組成特征：的組成特征：HAc H+ + Ac-抗酸組分抗酸組分 抗堿組抗堿組分分 緩沖對（系）緩沖對（系） 一對共軛酸堿對同時大量存在一對共軛酸堿對同時大量存在三、緩沖對三、緩沖對 酸式鹽酸式鹽 + + 次級鹽次級鹽 NaHCO3Na2CO3 NaH2PO4Na2HP

4、O4 弱酸弱酸 + + 弱酸鹽弱酸鹽 HAcNaAc H2CO3NaHCO3 弱堿弱堿 + + 弱堿鹽弱堿鹽 NH3NH4Cl 緩沖對的類型緩沖對的類型一對弱共軛酸堿對一對弱共軛酸堿對4-2 緩沖溶液緩沖溶液 pH 值的計算值的計算一、緩沖公式一、緩沖公式BHBHa KHB + H2O H3O+ + B-BCBHBBlgH-a pKp緩緩沖沖比比 HBHBBalgppHccKKa=H3O+ B-HBHBCHB-C+C HB + H2O H3O+ + B- B- + H2O HB + OH- H2O+H2O H3O+OH- MB M+ + B-HBCHBBannpKpHlgHBBalgppHcc

5、KVV1.1.pH與緩沖系中的共軛酸的與緩沖系中的共軛酸的Ka值有關(guān)值有關(guān)。 NH3-NH4+， NH4+的的pKaH2PO4-HPO42-2.2.pH與緩沖比有關(guān)與緩沖比有關(guān)，緩沖比緩沖比=1時，時， pH = pKa。H3PO4 的的pKa2二、計算緩沖溶液二、計算緩沖溶液 pH pH 值值例例4-1 將將0.10 molL-1的的 NaH2PO4 溶液溶液 10.0 ml 和和 0.20 molL-1的的Na2HPO4 溶液溶液 1.0 ml 混合，計算該混混合，計算該混合液的合液的 pH 值。值。解：解： H2PO4- H+ + HPO42-42242POHHPOannlgHPKP已知

6、磷酸的已知磷酸的 Ka2 = 6.2310-8= 6.51mol)(0 . 11010. 042POHmn)mol(20. 00 . 120. 024HPOmn0 . 120. 0lg1023. 6lgH8P例例4-2 將將 0.10 molL-1 鹽酸溶液鹽酸溶液 100 ml 與與 400 ml 0.10 molL-1 氨氨水溶液相混合，求混合后溶液的水溶液相混合，求混合后溶液的 pH 值（已知值（已知NH3 的的 K b = 1.76 10-5）。）。)mmol(3010. 010010. 04003NHn解：解：NH3 + H+ NH4+mmol)(1010. 01004NHn1051

7、4bwNH, a1068. 51076. 11000. 14KKK1030lg1068.5lglgH10aBBnnPKP= 9.724-3 4-3 緩沖容量緩沖容量一、緩沖容量一、緩沖容量 (buffering capicity) VpHnn ：加入一元強(qiáng)酸：加入一元強(qiáng)酸 或堿的物質(zhì)的或堿的物質(zhì)的量量pH : pH的變化值的變化值單位單位 : mmolmL-1p-1 molL-1p-1定義：單位體積緩沖溶液的定義：單位體積緩沖溶液的pH值改變值改變1個單位個單位 ( pH=1)時，所需加入一元強(qiáng)酸時，所需加入一元強(qiáng)酸(堿堿)的物質(zhì)的量。的物質(zhì)的量。 意義：衡量緩沖能力大小的尺度。意義：衡量緩沖

8、能力大小的尺度。二、如何計算緩沖容量二、如何計算緩沖容量關(guān)鍵是計算出加入少量一元強(qiáng)酸或強(qiáng)堿關(guān)鍵是計算出加入少量一元強(qiáng)酸或強(qiáng)堿（n）前前后的后的PH值，從而計算出值，從而計算出 PH。VpHnHBBa1lgppHnnKnnnnKHBBa2lgppH12pHpHpH根據(jù)根據(jù)前前后后代入代入VpHn即得即得用濃度均為用濃度均為 0.20 molL-1 的的 HAc 和和 NaAc 溶液等體溶液等體積比混合成積比混合成 10 ml 緩沖液，計算該緩沖液的緩沖液，計算該緩沖液的 pH 值。若在值。若在該溶液中加入該溶液中加入 0.10 molL-1 NaOH 0.30 ml ，再計算該緩沖，再計算該緩沖

9、液的緩沖容量液的緩沖容量 ( HAc 的的 pKa = 4.75 )。解解: 75. 40 . 520. 00 . 520. 0lg75. 4lgppHHAcAca1nnK 加入加入NaOH后：后： )mmol(03. 110. 030. 020. 00 . 5Acn)mmol(97. 010. 030. 020. 00 . 5HAcn78. 497. 003. 1lg75. 4pH2)pHmlmmol(1 . 003. 01003. 011pH = pH2pH1 = 4.78 4.75 = 0.03)mmol(03. 010. 030. 0nVpHn)pHLmol(1 . 011VpHn d

10、efdpH d)b(aVndna(b):加入微小量的一元強(qiáng)酸加入微小量的一元強(qiáng)酸(堿堿) 物質(zhì)的量；物質(zhì)的量； |dpH|:為緩沖溶液為緩沖溶液pH值的微小改變量。值的微小改變量。 三、影響三、影響的因素的因素緩沖比一定時緩沖比一定時,c總總越大越大,越大越大。1. 總濃度總濃度 c總總=B- + HB = c(B-) + c(HB)2.303總總比比/(比比+1)22. 緩沖比緩沖比 B-HB緩沖比緩沖比= 1， pH = pKa, 最大最大c總總一定時，一定時，極大極大=0.576總總 極大比比= 12.303總總比比/(比比+1)2稀釋時，稀釋時，c總總， 。三、影響三、影響的因素的因素

11、緩沖范圍：緩沖范圍：緩沖作用的有效區(qū)間緩沖作用的有效區(qū)間 (pKa1 pH pKa1)pHpKa1大于大于1010或小于或小于1/101/10時時緩沖容量就已很小緩沖容量就已很小一般認(rèn)為不再具有緩沖能力一般認(rèn)為不再具有緩沖能力4-4 緩沖溶液的配制緩沖溶液的配制作為測量溶液作為測量溶液pH值時的參照標(biāo)準(zhǔn)值時的參照標(biāo)準(zhǔn)目的目的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液控制溶液控制溶液pH值值pH標(biāo)準(zhǔn)值飽和酒石酸氫鉀 (0.034 molL-1)3.5570.05 mol L-1鄰苯二甲酸氫鉀4.0080.025 mol L-1KH2PO40.025 mol L-1Na2HPO46.8650.008695 mol

12、L-1KH2PO40.03043 mol L-1 Na2HPO47.4130.01 mol L-1硼砂9.18表表4-6 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH 值值(298K) 一、一、配制方法配制方法 選擇緩沖對選擇緩沖對 pHpH( (p pK Ka a1)1) 無干擾反應(yīng)發(fā)生。無干擾反應(yīng)發(fā)生。 控制緩沖對的總濃度，控制緩沖對的總濃度，c總總 = = 0.050.2 molL-1 緩沖容量緩沖容量 = 0.02 0.1 molL-1 pH-1 3. 計算所需緩沖對物質(zhì)的量。計算所需緩沖對物質(zhì)的量。 4. pH pH值校正。值校正。 二、二、計算計算1. 采用相同濃度的共軛酸堿溶液按一定的采用相

13、同濃度的共軛酸堿溶液按一定的體積比混合。體積比混合。HBBalgppHVVKHBBannpKpHlgHBBacVcVpKlg配制配制pH = 5.00 的緩沖溶液的緩沖溶液 100 ml , ,應(yīng)選擇哪應(yīng)選擇哪 種緩沖對？如何配制？種緩沖對？如何配制？解：解：選用選用0.10 molL-1HAc - 0.10 molL-1NaAc 設(shè)需設(shè)需HAcml，則，則NaAc為（為（100 -）ml VHAc= 36(ml) VNaAc= 100 - 64 (ml)HACAalgppHVVKCxx100lg75. 452.2.在一定量的弱酸（或弱堿）溶液中，加入較小量的強(qiáng)堿在一定量的弱酸（或弱堿）溶液中

14、，加入較小量的強(qiáng)堿 （或強(qiáng)酸）。（或強(qiáng)酸）。例例4-5 50ml 0.10 mol4-5 50ml 0.10 molL L-1-1HAcHAc溶液與溶液與25 ml 0.10 mol25 ml 0.10 molL L-1-1NaOHNaOH 溶液相混合，是否具有緩沖作用？并計算該溶液的溶液相混合，是否具有緩沖作用？并計算該溶液的pHpH值。值。解：解： HAc + NaOH NaAc + H2O反應(yīng)前反應(yīng)前/mmol 0.1050 0.1025 0反應(yīng)后反應(yīng)后/mmol 0.10 (50-25) 0.1025 = 4.75+lg1=4.75HACAalgppHnnKC在濃度為在濃度為 0.05

15、 molL-1的的 Tris（三羥甲基氨基甲烷）（三羥甲基氨基甲烷）溶液溶液 50ml 中，加入濃度為中，加入濃度為 0.05 molL-1 的的 HCl 溶液多少溶液多少 ml ，用水稀釋到，用水稀釋到 100 ml 后溶液的后溶液的 pH 值為值為 7.40 (298K) ？已知已知 TrisH+ 的的 pKa = 8.17解：設(shè)需加入解：設(shè)需加入 HCl 溶液溶液 x ml Tris + H+ TrisH+ 起始起始 n (mmol) 0.0550 0.05 x平衡平衡 n (mmol) 0.05 ( 50 - x ) 0.05 xHBBalgppHnnKxx05. 0)50(05. 0

16、lg17. 840. 7 x = 42.7(ml)1.1.選擇緩沖對選擇緩沖對2.2.選擇緩沖對的總濃度選擇緩沖對的總濃度3.3.查表查表例：例：H2PO4-HPO42-4. pH4. pH值校正。值校正。pHxpHx5.94.60.017.132.10.02865.60.0117.234.70.0256.16.80.0127.3370.0226.28.10.0157.439.10.026.39.70.0177.541.10.0186.411.60.0217.642.80.0156.513.90.0247.744.20.01250ml 0.1 molL-1KH2PO4+ x ml 0.1 mo

17、lL-1NaOH 稀釋至100mlx為配制時所加0.1molL-1NaOH的體積。表4-5 表4-5 H2PO4-HPO42- 緩沖溶液(緩沖溶液(298.15K) )4-5 緩沖溶液在醫(yī)學(xué)上的意義緩沖溶液在醫(yī)學(xué)上的意義血液的主要緩沖體系是血液的主要緩沖體系是H2CO3-HCO3-正常人血漿的正常人血漿的pH值約為值約為7.357.45 H2O +CO2 H2CO3 H+ + HCO3-溶解COHCOlgppH2-3a KpKa = 6.1040. 7120lg10. 6其中抗酸成分為其中抗酸成分為 HCO3- 、抗堿成分為抗堿成分為H2CO3 。 小結(jié)小結(jié)一、緩沖溶液的組成一、緩沖溶液的組成

18、 緩沖對：緩沖對： HB B- （抗堿成分、抗酸成分）（抗堿成分、抗酸成分）二、緩沖溶液二、緩沖溶液 pH 值的計算值的計算HBBHBBalgplgppHnnKccKa三、緩沖溶液的選擇和配制三、緩沖溶液的選擇和配制 下列混合溶液是否具有緩沖作用下列混合溶液是否具有緩沖作用?為什么為什么? 0.1 molL-1的的H2PO4溶液溶液50ml與與0.1 molL-1Na2HPO4溶液溶液50ml混合。混合。 0.2 molL-1的的HAc溶液溶液50ml與與0.2molL-1的的NaOH溶液溶液25ml混合混合。 0.1 molL-1的的NH3H2O溶液溶液50ml與與0.2molL-1的的HC

19、l溶液溶液25ml混混合合 0.1 molL-1的的HCl溶液溶液50ml與與0.1 molL-1的的KCl溶液溶液10ml混合混合。 110molL-1的的HAc溶液溶液50ml與與110molL-1的的NaAc溶液溶液50ml混合。混合。解：（解：（1）（）（2）（）（4）具有緩沖作用，（）具有緩沖作用，（3）（）（5）無緩沖作用。因）無緩沖作用。因為（為（1）（）（2）中存在著足夠濃度的共軛酸堿對，（）中存在著足夠濃度的共軛酸堿對，（4）是）是pH3的強(qiáng)的強(qiáng)酸，酸，（3）（）（5）中無足夠濃度的共軛酸堿對。中無足夠濃度的共軛酸堿對。2今需配制今需配制pH為為7.40的緩沖液的緩沖液100

20、ml，問應(yīng)取問應(yīng)取0.067 molL-1的的Na2HPO4溶液和溶液和0.067 molL-1的的KH2PO4溶液各若干溶液各若干ml(H3PO4的的pKa26.80)？ 解解: :)POH()HPO(lgppH42242aVVK)HPO()HPO(lg80. 64 . 72424VV-100)ml(80)HPO(24V)ml(2080100)POH(42V3欲配制欲配制pH為為5.00的緩沖溶液的緩沖溶液,需稱取多少的需稱取多少的CH3COONa3H2O固體固體,溶解在溶解在500ml0.500 molL-1CH3COOH中中?(HAc的的pKa4.75) 解解: :)HAc(n)Ac(n

21、lgppHaK1000/500. 0500)Ac(lg75. 40 . 5n)mol(445. 0)Ac(n需稱取需稱取NaAc3H2O的質(zhì)量為的質(zhì)量為：0.445136=60.52(g) 4已知已知TrisHCl在在37時的時的pKa為為7.85，今欲配制，今欲配制pH為為7.40的緩沖的緩沖液，問在含有液，問在含有Tris和和TrisHCl各為各為0.05 molL-1的溶液的溶液100ml中，需中，需加入加入0.05 molL-1的的HCl溶液多少溶液多少ml？ 解解: :設(shè)需加入設(shè)需加入HCl的體積為的體積為x mol lgHTrisTrisannppHK)05. 005. 0100(

22、)05. 005. 0100(lg85. 74 . 7xx解得：解得：x x=47.6(ml) 5用用0.025 molL-1的的H3PO4溶液配成溶液配成pH為為7.4的緩沖溶液的緩沖溶液100ml，需加入需加入0.025 molL-1的的NaOH溶液與之中和，試計算所需溶液與之中和，試計算所需H3PO4溶溶液與液與NaOH溶液的體積溶液的體積, ,已知已知H3PO4 的的PkPka1a1=2.12, Pk=2.12, Pka2a2=7. 21, =7. 21, PKPKa3a3=12.67 =12.67 。 解解: :根據(jù)題意，應(yīng)用緩沖對根據(jù)題意，應(yīng)用緩沖對H2PO4- - HPO42-

23、。 設(shè)需設(shè)需H H3 3POPO4 4 x x mlml，與與H H3 3POPO4 4反應(yīng)反應(yīng)生成生成H2PO4-的的NaOHNaOH( (第一步）第一步）為為 x x ml ml，與與H2PO4-反應(yīng)反應(yīng)生成生成HPO42-的的NaOHNaOH ( (第二步）第二步）為為y ymlml。 H3PO4 + OH- = H2PO4- + H2O 0.025x 0.025x 0.025x H2PO4- + OH- = HPO42- + H2O 0.025x-0.025y 0.025y 0.025yx+x+y=100y=100-2x yxy025. 0025. 0025. 0lg21. 74 . 7解得：解得：x=38.34(ml)，即需要即需要H3PO438.34ml。NaOHNaOH需要：需要：100-38.34=61.66(100-38.34=61.66(ml)ml) Summary A paticularly important type of acid-base