第四章-缓冲溶液

第四章缓冲溶液第一节缓冲溶液的基本概念第二节缓冲溶液pH值的计算第三节缓冲容量第四节缓冲溶液的配制第五节缓冲溶液在医学上的意义§4-1缓冲溶液的基本概念许多反应，往往都需要在一定的pH值条件下才能正常进行。如反应：M2++H2Y=MY+2H+要求在pH=7.0左右才能正常进行一、缓冲作用pH=3pH=0.091L纯水中(pH=7)+1mol·L-1HCl0.1mlpH=4pH=3+1mol·L-1NaOH0.1mlpH=101L含0.05molHAc和0.05molNaAc的溶液(pH=4.75)+1mol·L-1HCl10mlpH=4.66pH=0.09+1mol·L-1NaOH10mlpH=4.84缓冲溶液：能够抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释而保持pH基本不变的溶液。(buffersolution)HAc—NaAc体系同时大量存在Ac-+H3O+→HAc+H2O[H+]不会显著变化加少量强酸HAc+H2OH3O++Ac-Ac-是抗酸组分二、缓冲作用机理一对共轭酸碱对HAc+OH-→H2O+Ac-加少量强碱OH-[OH-]不会显著变化HAc是抗碱组分HAc+H2OH3O++Ac-H3O++OH-→2H2O[H+]不会显著变化缓冲溶液的的组成特征：HAcH++Ac-抗酸组分抗碱组分缓冲对（系）一对共轭酸碱对同时大量存在三、缓冲对⒉酸式盐+次级盐NaHCO3—Na2CO3NaH2PO4—Na2HPO4…⒈弱酸+弱酸盐HAc—NaAcH2CO3—NaHCO3…⒊弱碱+弱碱盐NH3—NH4Cl…缓冲对的类型一对弱共轭酸碱对§4-2缓冲溶液pH值的计算一、缓冲公式][B[HB]]H[aKHB+H2OH3O++B-BC][B[HB]][BlgH-apKp缓冲比HB][HBBalgppHccKKa=[H3O+][B-][HB]HBCHB][-C①+C③①HB+H2OH3O++B-③B-+H2OHB+OH-④H2O+H2OH3O++OH-②MBM++B-HBCHBBannpKpHlgHBBalgppHccKVV1.pH与缓冲系中的共轭酸的Ka值有关。NH3-NH4+，NH4+的pKaH2PO4--HPO42-2.pH与缓冲比有关，缓冲比=1时，pH=pKa。H3PO4的pKa2二、计算缓冲溶液pH值例4-1将0.10mol·L-1的NaH2PO4溶液10.0ml和0.20mol·L-1的Na2HPO4溶液1.0ml混合，计算该混合液的pH值。解：H2PO4-H++HPO42-42242POHHPOannlgHPKP已知磷酸的Ka2=6.23×10-8=6.51mol)(0.11010.042POHmn)mol(20.00.120.024HPOmn0.120.0lg1023.6lgH8P例4-2将0.10mol·L-1盐酸溶液100ml与400ml0.10mol·L-1氨水溶液相混合，求混合后溶液的pH值（已知NH3的Kb=1.76×10-5）。)mmol(3010.010010.04003NHn解：NH3+H+NH4+mmol)(1010.01004NHn10514bwNH,a1068.51076.11000.14KKK1030lg1068.5lglgH10aBBnnPKP=9.72§4-3缓冲容量一、缓冲容量(bufferingcapicity)βVpHn△n：加入一元强酸或碱的物质的量△pH:pH的变化值单位:mmol·mL-1·pＨ-1mol·L-1·pＨ-1定义：单位体积缓冲溶液的pH值改变1个单位(pH=1)时，所需加入一元强酸(碱)的物质的量。意义：衡量缓冲能力大小的尺度。二、如何计算缓冲容量β关键是计算出加入少量一元强酸或强碱（△n）前后的PH值，从而计算出△PH。VpHnHBBa1lgppHnnKnnnnKHBBa2lgppH12pHpHpH根据前后代入VpHn即得β例4-3用浓度均为0.20mol·L-1的HAc和NaAc溶液等体积比混合成10ml缓冲液，计算该缓冲液的pH值。若在该溶液中加入0.10mol·L-1NaOH0.30ml，再计算该缓冲液的缓冲容量β(HAc的pKa=4.75)。解:⑴75.40.520.00.520.0lg75.4lgppHHAcAca1nnK⑵加入NaOH后：)mmol(03.110.030.020.00.5Acn)mmol(97.010.030.020.00.5HAcn78.497.003.1lg75.4pH2)pHmlmmol(1.003.01003.011△pH=pH2－pH1=4.78－4.75=0.03)mmol(03.010.030.0nVpHn)pHLmol(1.011VpHnβdefdpHd)b(aVndna(b):加入微小量的一元强酸(碱)物质的量；|dpH|:为缓冲溶液pH值的微小改变量。三、影响β的因素缓冲比一定时,c总越大,β越大。1.总浓度c总=[B-]+[HB]=c(B-)+c(HB)β＝2.303×ｃ总×[比/(比+1)2]2.缓冲比[B-][HB]缓冲比=1，pH=pKa,β最大c总一定时，β极大=0.576ｃ总β极大比=1β＝2.303×ｃ总×[比/(比+1)2]稀释时，c总↓，β↓。三、影响β的因素缓冲范围：缓冲作用的有效区间(pKa－1＜pH＜pKa＋1)pH＝pKa±1大于10或小于1/10时缓冲容量就已很小一般认为不再具有缓冲能力§4-4缓冲溶液的配制作为测量溶液pH值时的参照标准目的标准缓冲溶液控制溶液pH值pH标准值饱和酒石酸氢钾(0.034mol•L-1)3.5570.05mol•L-1邻苯二甲酸氢钾4.0080.025mol•L-1KH2PO4－0.025mol•L-1Na2HPO46.8650.008695mol•L-1KH2PO4－0.03043mol•L-1Na2HPO47.4130.01mol•L-1硼砂9.18表4-6标准缓冲溶液的pH值(298K)一、配制方法⒈选择缓冲对pH∈(pKa±1)无干扰反应发生。⒉控制缓冲对的总浓度，c总=0.05～0.2mol·L-1缓冲容量β=0.02～0.1mol·L-1·pH-13.计算所需缓冲对物质的量。4.pH值校正。二、计算1.采用相同浓度的共轭酸碱溶液按一定的体积比混合。HBBalgppHVVKHBBannpKpHlgHBBacVcVpKlg例4-4配制pH=5.00的缓冲溶液100ml,应选择哪种缓冲对？如何配制？解：选用0.10mol·L-1HAc-0.10mol·L-1NaAc设需HAcχml，则NaAc为（100-χ）ml∴VHAc=χ≈36(ml)VNaAc=100-χ≈64(ml)HACAalgppHVVKCxx100lg75.452.在一定量的弱酸（或弱碱）溶液中，加入较小量的强碱（或强酸）。例4-550ml0.10mol·L-1HAc溶液与25ml0.10mol·L-1NaOH溶液相混合，是否具有缓冲作用？并计算该溶液的pH值。解：HAc+NaOH→NaAc+H2O反应前/mmol0.10×500.10×250反应后/mmol0.10×(50-25)0.10×25=4.75+lg1=4.75HACAalgppHnnKC例4-6在浓度为0.05mol·L-1的Tris（三羟甲基氨基甲烷）溶液50ml中，加入浓度为0.05mol·L-1的HCl溶液多少ml，用水稀释到100ml后溶液的pH值为7.40(298K)？已知Tris·H+的pKa=8.17解：设需加入HCl溶液xmlTris+H+→Tris·H+起始n(mmol)0.05×500.05x平衡n(mmol)0.05(50-x)0.05xHBBalgppHnnKxx05.0)50(05.0lg17.840.7∴x=42.7(ml)1.选择缓冲对2.选择缓冲对的总浓度3.查表例：H2PO4-－HPO42-缓冲溶液的实际配制4.pH值校正。pHxβpHxβ5.94.60.017.132.10.02865.60.0117.234.70.0256.16.80.0127.3370.0226.28.10.0157.439.10.026.39.70.0177.541.10.0186.411.60.0217.642.80.0156.513.90.0247.744.20.01250ml0.1mol·L-1KH2PO4+xml0.1mol·L-1NaOH稀释至100mlx为配制时所加0.1mol·L-1NaOH的体积。表4-5H2PO4-－HPO42-缓冲溶液(298.15K)§4-5缓冲溶液在医学上的意义血液的主要缓冲体系是H2CO3-HCO3-正常人血浆的pH值约为7.35—7.45H2O+CO2H2CO3H++HCO3-溶解][CO][HCOlgppH2-3aKpKa=6.1040.7120lg10.6其中抗酸成分为HCO3-、抗碱成分为H2CO3。小结一、缓冲溶液的组成缓冲对：HB–B-（抗碱成分、抗酸成分）二、缓冲溶液pH值的计算HBBHBBalgplgppHnnKccKa三、缓冲溶液的选择和配制下列混合溶液是否具有缓冲作用?为什么?①0.1mol·L-1的ＫH2PO4溶液50ml与0.1mol·L-1Na2HPO4溶液50ml混合。②0.2mol·L-1的HAc溶液50ml与0.2mol·L-1的NaOH溶液25ml混合。③0.1mol·L-1的NH3·H2O溶液50ml与0.2mol·L-1的HCl溶液25ml混合④0.1mol·L-1的HCl溶液50ml与0.1mol·L-1的KCl溶液10ml混合。⑤1×10－３mol·L-1的HAc溶液50ml与1×10－３mol·L-1的NaAc溶液50ml混合。解：（1）（2）（4）具有缓冲作用，（3）（5）无缓冲作用。因为（1）（2）中存在着足够浓度的共轭酸碱对，（4）是pH3的强酸，（3）（5）中无足够浓度的共轭酸碱对。2．今需配制pH为7.40的缓冲液100ml，问应取0.067mol·L-1的Na2HPO4溶液和0.067mol·L-1的KH2PO4溶液各若干ml(H3PO4的pKa2＝6.80)？解:)POH()HPO(lgppH42242aVVK)HPO()HPO(lg80.64.72424VV-100)ml(80)HPO(24V)ml(2080100)POH(42V3．欲配制pH为5.00的缓冲溶液,需称取多少ｇ的CH3COONa·3H2O固体,溶解在500ml0.500mol·L-1CH3COOH中?(HAc的pKa＝4.75)解:)HAc(n)Ac(nlgppHaK1000/500.0500)Ac(lg75.40.5n)mol(445.0)Ac(n∴需称取NaAc·3H2O的质量为：0.445×136=60.52(g)4．已知Tris·HCl在37℃时的pKa为7.85，今欲配制pH为7.40的缓冲液，问在含有Tris和Tris·HCl各为0.05mol·L-1的溶液100ml中，需加入0.05mol·L-1的HCl溶液多少ml？解:设需加入HCl的体积为xmol][][lgHTrisTrisannppHK)05.005.0100()05.005.0100(lg85.74.7xx解得：x=47.6(ml)5．用0.025mol·L-1的H3PO4溶液配成pH为7.4的缓冲溶液100ml，需加入0.025mol·L-1的NaOH溶液与之中和，试计算所需H3PO4溶液与NaOH溶液的体积,已知H3PO4的Pka1=2.