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1、第三章 緩沖溶液（Buffer Solution）,第一節(jié) 緩沖作用 第二節(jié) 緩沖溶液的pH值 第三節(jié) 緩沖容量,引言,生物體液都有各自相對(duì)穩(wěn)定的pH值。比如血液pH=7.357.45，超過(guò)此范圍，就會(huì)引起酸中毒或堿中毒。而生物體自身代謝一些酸堿物質(zhì)，如檸檬酸、乳酸等，體外也要引入酸堿物質(zhì)，但體液pH值并不以這些酸堿性物質(zhì)的攝入而改變體液的緩沖作用。,緩沖作用的意義,1本章所討論的緩沖作用原理，將直接應(yīng)用于后續(xù)課程如病理生理學(xué)中，用于理解和探討人體生理機(jī)制和病理生理變化，尤其是體液的酸堿平衡、水鹽代謝等正常狀態(tài)和失調(diào)等原因。 2應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究中，尤其在生物學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物
2、學(xué)實(shí)驗(yàn)中，廣泛使用緩沖溶液來(lái)維持研究體系的酸堿環(huán)境。,第一節(jié) 緩沖作用,一、緩沖作用及緩沖溶液的組成,pH11,pH3,pH4.76,pH4.74,緩沖作用：能抵抗外加少量酸、堿或稀釋，而自身的 pH值基本不變的作用。 緩沖溶液：具有緩沖作用的溶液。,“少量”、“基本不變” 緩沖作用有限度。 緩沖作用應(yīng)同時(shí)具有抗酸和抗堿的雙重作用。,,緩沖作用（buffer action）,緩沖溶液組成,HAc-NaAc NH4+-NH3 H3PO4- H2PO4- H2PO4--HPO42- HPO42--PO43-,質(zhì)子酸堿理論看：共軛酸堿對(duì) 緩沖對(duì)(buffer pair)或緩沖系(
3、buffer system),弱酸及弱酸鹽,弱堿及弱堿鹽,以下混合物溶液都有緩沖作用：,二、緩沖溶液的作用機(jī)理,緩沖溶液的基本狀況 （1）共軛酸和共軛堿的濃度都較大 （2）共軛酸堿對(duì)之間存在質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡 HB + H2O = H3O+ + B- 共軛酸 共軛堿,以HAc-NaAc緩沖溶液為例（與酸作用）,平衡向左移動(dòng),抗酸成分,抗酸作用,以HAc-NaAc緩沖溶液為例（與堿作用）：,平衡向右移動(dòng),抗堿成分,抗堿作用,,當(dāng)溶液稍加稀釋時(shí)，H+雖然降低了，但Ac-同時(shí)也降低了，同離子效應(yīng)減弱，促使HAc離解以補(bǔ)充H+，所以，溶液中H+濃度不會(huì)發(fā)生明顯改變。 總之，緩沖溶液具有抗酸、抗堿和抗
4、稀釋作用。,（1）較大濃度的共軛酸、共軛堿是緩沖作用 的物質(zhì)基礎(chǔ)。 （2）共軛酸堿物質(zhì)之間的質(zhì)子傳遞平衡是緩 沖作用的內(nèi)在動(dòng)力。,結(jié)論,第二節(jié) 緩沖溶液的pH值計(jì)算,Henderson-Hasselbalch （亨德森-哈塞爾巴赫）方程,一.亨德森-哈塞爾巴赫方程 HBH2O H3O+B-,Henderson-Hasselbalch方程的意義,提供了計(jì)算緩沖溶液pH值的工具。,式中Ka為緩沖系中共軛酸的酸常數(shù)。 B-、HB是平衡濃度，但因CHB、CB-都較大， B-對(duì)HB的同離子效應(yīng)，使CHB HB， CB-B-，具體計(jì)算時(shí)平衡濃度可近似用配制濃度代替。,計(jì)算時(shí)注意：,(1),(2)
5、,(3),例題,100mL0.1mol/LHCl與400mL0.1mol/LNH3H2O混合，求混合后溶液的pH值。,解:,闡述了影響緩沖溶液pH值的因素:,Ka(緩沖系本性) Ka與溫度有關(guān)，緩沖液的pH值也與溫度有關(guān)。 C(B-)/C(HB)(緩沖比) Ka一定時(shí)，緩沖液的pH值決定于緩沖比。因此，對(duì)一具體的緩沖系，可通過(guò)改變緩沖比來(lái)調(diào)整其pH值。從方程可反應(yīng)出，當(dāng)少量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿加入時(shí)，由于Ka不變，而緩沖比改變較小，其pH值基本不變。 緩沖溶液有限稀釋時(shí)， Ka與緩沖比均不變，pH不變，即緩沖溶液也有抗稀釋的作用。,Henderson-Hasselbalch方程的意義,對(duì)溶液稀釋過(guò)程pH
6、變化的控制,Plots of pH vs. mL of water added to (a) 0.500 mL of 0.100 mol/L HCl and (b) 0.500 mL of a solution 0.100 mol/L in both HAc and NaAc.,HCl,NaAc-HAc,第三節(jié) 緩沖容量（buffer capacity）,一、緩沖容量（）的定義,使單位體積（1升或1毫升）緩沖溶液的pH值改變1個(gè)pH單位時(shí)，所需外加一元強(qiáng)酸或一元強(qiáng)堿的物質(zhì)的量(mol)。,利用上式可以推導(dǎo)出緩沖容量的計(jì)算公式：,緩沖容量是溶液的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)溶液的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，緩沖容量也發(fā)
7、生變化。,例如，當(dāng)緩沖溶液被稀釋時(shí)；往緩沖溶液中加入酸或堿時(shí)。,二、影響的因素,1.緩沖溶液總濃度C總（CHB+CB-）：當(dāng)緩沖比一定時(shí)，C總越大，抗酸抗堿成分越多，緩沖作用越強(qiáng)。,2.緩沖比CB-/CHB： C總一定時(shí)，緩沖比越接近于1緩沖作用越強(qiáng)。,CB-/CHB=1時(shí)(pH=pKa)有最大緩沖能力。 max=0.576c總 緩沖比在0.110 范圍內(nèi)，緩沖溶液才能發(fā)揮緩沖作用。此時(shí)的pH范圍稱為有效緩沖范圍。,對(duì)于具體的緩沖系，通過(guò)調(diào)整緩沖比來(lái)調(diào)節(jié)其pH值只能在其有效緩沖范圍內(nèi)調(diào)節(jié)！,4.若要求精確配制時(shí)，可用pH計(jì)或精密pH試 紙對(duì)所配制緩沖溶液的 pH進(jìn)行校正。,3.選定緩沖對(duì)后
8、，計(jì)算出所需共軛酸、堿的量。,2. 緩沖溶液的總濃度要適當(dāng)，一般在0.050.2molL-1 之間。,選擇原則：1.選擇合適的緩沖對(duì)，使所配制的緩沖溶液的pH在所選擇的緩沖對(duì)的緩沖范圍（pKa1）內(nèi)，且盡量接近弱酸的pKa，以使緩沖溶液具有較大的緩沖容量。,三、緩沖溶液的選擇與配制,例：用濃度均為 0.10 molL-1的弱酸和其共軛堿溶液配制 100 mL pH 為 5.00 的緩沖溶液。,解：所選的緩沖對(duì)中弱酸的pKa應(yīng)在 46 間，pKa,HAc =4.74 ， 因此可選擇HAc-NaAc緩沖對(duì)。若需0.10molL-1HAc 溶液的 體積為V(HAc)，則需0.10molL-1NaAc
9、溶液的體積為100mL- V(HAc)。,所需 NaAc 溶液的體積為：V(HAc)=35.5mL V(NaAc)=100-35.5=64.5mL,1、選擇合適的緩沖系。,緩沖溶液實(shí)用而簡(jiǎn)捷的配制辦法,2、配制濃度等于所需緩沖液總濃度的共軛酸或共軛堿溶液。,3、將pH計(jì)電極插入上述溶液中，滴加強(qiáng)堿或強(qiáng)酸溶液至其pH值達(dá)到所需數(shù)值。,配制注意事項(xiàng),所選擇的緩沖對(duì)不能與反應(yīng)物質(zhì)作用，不得干擾樣品相繼步驟的反應(yīng)。藥用緩沖溶液還必須考慮是否有毒性等。 所用試劑必須使用二級(jí)以上純度的試劑。 一級(jí)：優(yōu)級(jí)純G.R（綠色標(biāo)簽） 二級(jí)：分析純A.R（紅色標(biāo)簽） 三級(jí)：化學(xué)純C.
10、P（藍(lán)色標(biāo)簽） 四級(jí)：實(shí)驗(yàn)試劑L.R（黃色標(biāo)簽）,實(shí)驗(yàn)用水選用新鮮蒸餾水。pH大于6的緩沖溶液應(yīng)用無(wú)CO2的水配制，并在儲(chǔ)存期間防止CO2的侵入。 貯藏在抗腐蝕的玻璃或聚乙烯塑料瓶中。保存期一般為23月，如出現(xiàn)渾濁、霉變、沉淀等變質(zhì)現(xiàn)象應(yīng)停止使用。,四. 緩沖溶液在醫(yī)學(xué)上的意義血液中的緩沖系,磷酸鹽：H2PO4--HPO42- 碳酸鹽：H2CO3-HCO3- (1.35mmolL-127 mmolL-1) pH=6.10+lg20=7.40 Na-蛋白質(zhì)- H-蛋白質(zhì),人血液(37)正常pH 為7.35-7.45。每人每天耗O2600L， 產(chǎn)生CO2酸量約合2L濃HCl， 除呼出CO2及腎排
11、酸外，歸功于血液的緩沖作用。,血漿中：,KHCO3 - H2CO3 K2HPO4 - KH2PO4 K-血紅蛋白- H-血紅蛋白 K-氧合血紅蛋白-H-氧合血紅蛋白,紅細(xì)胞液中：,碳酸氫鹽緩沖對(duì)在血液中的濃度最高，緩沖能力最大，維持血液正常的功能也最為重要。碳酸在血液中主要以溶解的CO2形式存在，在血液中存在如下平衡：,當(dāng)HCO3--CO2發(fā)生緩沖作用時(shí)，肺部和腎臟的調(diào)節(jié)也在起著作用。當(dāng)體內(nèi)物質(zhì)代謝不斷生成二氧化碳、硫酸、磷酸、乳酸、乙酰乙酸等酸性物質(zhì)時(shí)，HCO3-與H3O+離子結(jié)合生成CO2，平衡左移，H2CO3濃度增大，而HCO3- 濃度降低。此時(shí)可通過(guò)加快肺部呼吸吐出CO2，或通過(guò)血漿蛋白質(zhì)緩沖對(duì)和磷酸氫鹽緩沖對(duì)與其作用，而使CO2 濃度降低；同時(shí)腎還可以減少對(duì)HCO3-的排泄而使之得到補(bǔ)償，以此來(lái)恒定血漿的pH 為7.40。,同理，當(dāng)體內(nèi)堿性物質(zhì)增多并進(jìn)入血漿時(shí)，平衡正向移動(dòng)，H2CO3濃度降低，而HCO3-濃度增大，此時(shí)則由肺部控制對(duì)CO2的呼出，以及由腎臟加速對(duì)HCO3-的排泄，保持血漿的pH 恒定。,
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