醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液培訓(xùn)課件

1、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液 4.1 緩沖溶液及緩沖機(jī)制 4.2 緩沖溶液pH值的計(jì)算 4.3 緩沖容量和緩沖范圍 4.4 緩沖溶液的配制 4.5 血液中的緩沖系緩沖溶液醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液2 4.1 緩沖溶液及緩沖機(jī)制緩沖溶液醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液許多化學(xué)反應(yīng)，特別是生物體內(nèi)的反應(yīng)，只有在一定pH值的條件下才能正常進(jìn)行。如配位滴定測(cè)水總硬度 終點(diǎn)變色與pH值控制有關(guān)酶的活性 pH稍稍偏離，則大為降低甚至喪失人的體液 超出正常pH范圍，則會(huì)生病或死亡因此，維持溶液和體液的pH值基本不變，在化學(xué)和醫(yī)學(xué)上都意義重大。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液3許多化學(xué)反應(yīng)，特別是生物體內(nèi)的反應(yīng)，只有在一定pH

2、值的條件下 成人胃液 0.9 1.5 嬰兒胃液 5.0 檸檬汁 2.4 醋 3.0 葡萄汁 3.2 橙汁 3.5 尿 4.88.4 唾液 6.57.5 牛奶 6.5 乳 汁 6.0 6.9 血液、腦脊液 7.357.45 眼淚 7.4 胰液 7.5 8.0 小腸液 7.6 大腸液 8.3 8.4 一些常見(jiàn)體液和果汁的pH值醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液4 成人胃液 0.9 14.1 緩沖溶液(buffer solution)及緩沖機(jī)制加入1滴(0.05ml) 1molL-1 HCl 加入1滴(0.05ml) 1molL-1 NaOH實(shí)驗(yàn)：50ml NaCl pH = 3 pH = 11 0.20molL

3、-1 pH = 750ml HAc-NaAc (均為0.10molL-1) pH = 4.74pH = 4.73 pH = 4.75醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液54.1 緩沖溶液(buffer solution)及緩沖機(jī)制 NaClHAc NaAc綠綠H+ +紅+ OHH+ +藍(lán)黃綠+ OH藍(lán)綠酸性 中性 堿性通用指示劑醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液6 NaClHAc NaAc綠綠H+ +紅+ OHH+這種能抵抗外來(lái)少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稍加稀釋，而保持其 pH值基本不變的溶液稱為緩沖溶液（buffer solution）。其抵抗作用稱為緩沖作用（buffer action）。緩沖溶液在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中占有重要地

4、位。思考：按酸堿質(zhì)子理論，什么樣的溶液具有這種作用呢？緩沖溶液的定義醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液7這種能抵抗外來(lái)少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或稍加稀釋，而保持其 pH值基本1、較濃的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿2、兩性物質(zhì)3、足夠濃度的共軛酸堿對(duì)的兩種物質(zhì)，合稱為緩沖系（ buffer system）或緩沖對(duì)（buffer pair）。本章主要介紹對(duì)象緩沖溶液的組成醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液81、較濃的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿2、兩性物質(zhì)3、足夠濃度的共軛酸堿對(duì)的兩醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液9醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液9某些常見(jiàn)的緩沖系 緩沖系 pKa(25) pH范圍 HAc-NaAc 4.76 3.765.76 H2CO3-NaHCO3 6.35 5.357.

5、35 H3PO4-NaH2PO4 2.16 1.163.16 NH4Cl-NH3 9.25 8.2510.25 NaH2PO4- Na2HPO4 7.21 6.28.2 Na2HPO4-Na3PO4 12.32 11.313.3 醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液10某些常見(jiàn)的緩沖系 緩沖系 緩沖作用機(jī)制以HAc NaAc為例來(lái)說(shuō)明緩沖溶液的作用機(jī)制HAc + H2O H3O+ + AcNaAcNa+ + AcHAc本身為弱電解質(zhì)，又由于Ac同離子效應(yīng)的影響，故幾乎全部以分子的形式存在。在此混合體系中：Na+ 、HAc、Ac的濃度較大，其中HAc Ac為共軛酸堿對(duì)。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液11緩沖作用機(jī)制以HA

6、c NaAc為例來(lái)說(shuō)明緩沖溶液的作用機(jī)HAc + OHAc+ H2OH+ +平衡右移抗酸成分anti-acid mechanismH2O醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液12HAc + OHAc+ H2OH+ +平衡右移抗酸成分HAc + H2O H3O+ + Ac+OHH2O平衡右移抗堿成分anti-base mechanism醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液13HAc + H2O H3O+ + Ac+OHH2O平衡右4.2 緩沖溶液pH值的計(jì)算以HB-NaB組成的緩沖體系為例：HB + H2OH3O+ + BNaB Na+ + BKa =H3O+BHBH3O + = KaHBB兩邊同時(shí)取負(fù)對(duì)數(shù)可得：緩沖溶液pH值的

7、近似計(jì)算公式醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液144.2 緩沖溶液pH值的計(jì)算以HB-NaB組成的緩沖體系為pH = pKa + lg BHB= pKa + lg共軛堿共軛酸亨德森(Henderson-Hasselbalch)方程式中pKa ：共軛酸酸常數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù)B、HB：平衡濃度B / HB：緩沖比，B+HB：總濃度HB = cHB cHB解離 B = cNaB + cHB解離 cHB cNaB醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液15pH = pKa + lg BHB= pKa + pH = pKa + lgcBcHB= pKa + lgnB / VnHB / V= pKa + lg nBnHB若使用相同濃度的弱酸及其共

8、軛堿配制緩沖溶液，則c0B = c0HB （混合前）?；旌象w系中pH = pKa + lg c0B VB c0HB VHB= pKa + lgVBVHB上述三種計(jì)算式是不同的表示形式。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液16pH = pKa + lgcBcHB= pKa + lgn醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液17醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液17醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液18醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液18例：若在 50.00ml 0.150molL-1 NH3 (aq)和 0.200 molL-1 NH4Cl組成的緩沖溶液中，加入0.10ml 1.00 molL-1的HCl ，求加入HCl前后溶液的pH值各為多少？解：加入 HCl 前:醫(yī)

9、學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液19例：若在 50.00ml 0.150molL-1 NH3 加入 HCl后: NH3(aq) + H2O (l) NH4+ (aq) + OH-(aq)加HCl前0.150-0.0020-x 0.200+0.0020+x x0.150 0.200加HCl后0.150-0.0020 0.200+0.0020平衡濃度醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液20加入 HCl后: NH3(aq) + H2O (l) 當(dāng)緩沖溶液中外加少量強(qiáng)酸時(shí)：根據(jù)緩沖機(jī)制和平衡移動(dòng)原理：pH =pKa + lg共軛堿酸外加共軛酸+酸外加當(dāng)緩沖溶液中外加少量強(qiáng)堿時(shí)：pH = pKa + lg共軛堿+堿外加共軛酸堿外加醫(yī)

10、學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液21當(dāng)緩沖溶液中外加少量強(qiáng)酸時(shí)：根據(jù)緩沖機(jī)制和平衡移動(dòng)原理：pH討論：上述計(jì)算緩沖溶液pH值的公式是否準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)？計(jì)算值與pH計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值是否吻合？影響因素有哪些？醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液22討論：上述計(jì)算緩沖溶液pH值的公式是否準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)？計(jì)算值與p1、溫度 溫度變化可引起活度因子 改變；水的離子積Kw隨溫度的升高而增大；溫度變化使共軛酸的Ka改變?？傊?，溫度對(duì)pH值的影響比較復(fù)雜，不再深入討論。2、緩沖比 當(dāng)Ka 一定時(shí)，pH值隨緩沖比的變化而變化。3、稀釋 稀釋引起離子強(qiáng)度的改變，故pH值也隨之有微小的改變。影響pH計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值差異的因素：醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液231、溫

11、度 溫度變化可引起活度因子 改變；水的離子積二、緩沖溶液pH計(jì)算公式的校正為使計(jì)算值準(zhǔn)確，并與測(cè)定值接近，必須考慮離子強(qiáng)度的影響。pH = pKa + lga(B)a(HB)= pKa + lgB (B)HB (HB)= pKa + lgBHB+ lg (B) (HB)上式即為校正公式校正因數(shù)，與共軛酸的電荷數(shù)和溶液的I 有關(guān)?？刹楸?。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液24二、緩沖溶液pH計(jì)算公式的校正為使計(jì)算值準(zhǔn)確，并與測(cè)定值接近4.3 緩沖容量和緩沖范圍一、緩沖容量緩沖溶液的緩沖能力都是有限度的。1922年，Slyke V 提出用緩沖容量 作為衡量緩沖能力大小的尺度。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液254.3 緩沖

12、容量和緩沖范圍一、緩沖容量緩沖溶液的緩沖能力都是緩沖容量 buffer capacity 使單位體積緩沖溶液的pH值發(fā)生一定改變時(shí)所能抵抗的外加一元強(qiáng)酸或一元強(qiáng)堿的物質(zhì)的量。平均緩沖容量(實(shí)驗(yàn)測(cè)定值) 瞬時(shí)緩沖容量(微分式定義)單位：mol L1 pH1醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液26緩沖容量 buffer capacity 若緩沖比B / HBb/a，則由微分定義式可導(dǎo)出共軛酸堿對(duì)組成的緩沖溶液的瞬時(shí)緩沖容量： 即 = 2.303 a/(ab) b/(ab) c總單位：mol L1 pH1 = 2.303 HB/(HBB) B/(HBB) c總醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液27若緩沖比B / HBb/a，則由

13、微分定義式可導(dǎo)出二、影響緩沖容量的因素1、緩沖比，即B / HB ；2、緩沖溶液的總濃度，即B + HB 。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液28二、影響緩沖容量的因素醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液28最大醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液29最大醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液291、緩沖比對(duì)緩沖容量的影響當(dāng)總濃度一定時(shí)：cBcHB=11(最大)cBcHB=101緩沖容量減小 值極小cBcHB=110小減量容沖緩 值極小結(jié)論：緩沖比越接近1，緩沖容量越大。緩沖比等于1時(shí)，最大= 0.576c總醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液301、緩沖比對(duì)緩沖容量的影響當(dāng)總濃度一定時(shí)：cBcHB=12、總濃度對(duì)緩沖容量的影響結(jié)論：對(duì)同一緩沖溶液，當(dāng)緩沖比相同時(shí)，總濃度

14、較大的，其緩沖容量也較大。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液312、總濃度對(duì)緩沖容量的影響結(jié)論：對(duì)同一緩沖溶液，當(dāng)緩沖比相同三、緩沖范圍實(shí)驗(yàn)證明：緩沖比大于10 1或小于1 10，即溶液的pH與pKa 相差超過(guò)一個(gè)pH單位時(shí)，幾乎喪失緩沖能力。pH = pKa 1又稱有效緩沖范圍（buffer effective range）醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液32三、緩沖范圍實(shí)驗(yàn)證明：緩沖比大于10 1或小于1 14.4 緩沖溶液的配制一、緩沖溶液的配制方法1、 選擇適當(dāng)緩沖系 ，pKa應(yīng)盡量接近目標(biāo)pH值； 2、 總濃度適當(dāng)，一般以0.050.2molL-1為宜； 3、計(jì)算所需共軛酸和共軛堿的量； 4、儀器校正。 醫(yī)學(xué)

15、基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液334.4 緩沖溶液的配制醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液33醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液34醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液34醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液35醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液35醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液36醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液36醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液37醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液37醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液培訓(xùn)課件例題：如何用濃度均為0.10 mol L1的共軛酸和共軛堿配制100ml pH 值為5.00的緩沖溶液。解： 由緩沖范圍的有效區(qū)間可知，所選擇的緩沖對(duì)中 pKa 值應(yīng)在4 6之間。HAc的pKa 為4.75，因此可選擇 HAc-Ac 緩沖對(duì)。設(shè)需HAc溶液 x ml，則NaAc溶液為(100 x) ml因兩溶液濃

16、度相等5.00 = 4.74 + lg100 xx解得：x = 35.5 ml將35.5ml 0.10 mol L1 HAc溶液與64.5ml 0.10 mol L1 NaAc溶液混合均勻即得。如有必要，可用 pH 計(jì)校正。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液39例題：如何用濃度均為0.10 mol L1的共軛酸和共例題：欲配制450mL，pH = 4.70 的緩沖溶液，取實(shí)驗(yàn)室中0.10 molL-1 的HAc 和0.10molL-1 的NaOH 溶液各多少混合即成。解：因選擇pKa=4.74的HAc-NaAc為緩沖系處在緩沖范圍之內(nèi)設(shè)所需HAc和NaOH的體積為VHAc 和 VNaOH ，且必須HAc過(guò)量

17、則 HAc + NaOH NaAc + H2O反應(yīng)前 0.10 VHAc 0.10 VNaOH 0反應(yīng)后 0.10 (VHAc VNaOH ) 0 0.10 VNaOH 根據(jù)亨德森公式 4.70=4.74 +且VHAc + VNaOH =450mL 計(jì)算得VHAc =305mL, VNaOH =145mL 醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液40例題：欲配制450mL，pH = 4.70 的緩沖溶液，取實(shí)例題：欲配制37時(shí)pH近似值為7.40的緩沖溶液，問(wèn)在Tris和TrisHCl均為0.050 mol L-1的100mL溶液中，需加入0.050 mol L-1HCl多少毫升？（已知TrisHCl在37時(shí)的p

18、Ka=7.85）解：設(shè)需加HCl x mL，則：根據(jù)亨德森公式7.40=7.85+ 得x = 48mL注： Tris的化學(xué)式為(HOCH2)3CNH2，是一種弱堿，醫(yī)學(xué)上常用。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液41例題：欲配制37時(shí)pH近似值為7.40的緩沖溶液，問(wèn)在Tr課堂練習(xí)題: 用 0.025molL-1 H3PO4和 0.025molL-1 NaOH溶液來(lái)配制的pH值為12.0的緩沖溶液100mL。試計(jì)算所需H3PO4和NaOH溶液的體積。已知pKa1 = 2.17，pKa2 = 7.20 ，pKa3 = 12.32。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液42課堂練習(xí)題: 醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液42二、標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液使用

19、pH計(jì)測(cè)量溶液的pH值時(shí)，必須先用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液標(biāo)定儀器，標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值是在一定溫度下通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定的。 醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液43二、標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液使用pH計(jì)測(cè)量溶液的pH值時(shí)，必須先用標(biāo)準(zhǔn)緩常用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液 表中溫度系數(shù)為“+ ”時(shí)，表示緩沖溶液的pH值隨溫度的升高而增大；溫度系數(shù)為“ ”時(shí)，則表示pH值隨溫度的升高而減小。在配制標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液時(shí)，要求水的純度很高，一般用重蒸餾水，配制堿性(pH7 )的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液時(shí)，要用新排除CO2 的重蒸餾水。注：兩性物質(zhì)解離生成兩個(gè)緩沖對(duì)；1mol硼砂相當(dāng)于2mol的偏硼酸HBO2和2mol的偏硼酸鈉NaBO2。 溶 液 濃度/(molL-1) pH

20、(25) 酒石酸氫鉀（KHC4H4O4） 飽和，25 3.557 0.001 鄰苯二甲酸氫鉀（KHC8H4O4） 0.05 4.008 0.001 KH2PO4-Na2HPO4 0.025, 0.025 6.865 0.003 KH2PO4-Na2HPO4 0.008695,0.03043 7.413 0.003 硼砂（Na2B4O710H2O） 0.01 9.180 0.008 醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液44常用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液 表中溫度系數(shù)為“+ ”時(shí)，表示緩沖溶液的p4.5 血液中的緩沖系粗略估計(jì)每人每天耗用600升氧氣，產(chǎn)生480升二氧化碳，21mol碳酸，其酸量約相當(dāng)于2升濃鹽酸。除了肺、腎的

21、生理調(diào)節(jié)外，正常人血液的pH值之所以相當(dāng)穩(wěn)定，主要應(yīng)歸功于血液中存在多種緩沖系的緩沖作用。其中主要的緩沖系是H2CO3-HCO3-。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液454.5 血液中的緩沖系粗略估計(jì)每人每天耗用600升氧氣，產(chǎn)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液46醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液46醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液47醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液47碳酸在溶液中主要以溶解狀態(tài)的CO2形式存在。血漿中的碳酸緩沖系pH值校正后的計(jì)算式為pH = pKa + lgHCO3CO2(溶解)正常人血漿中的離子強(qiáng)度I = 0.16，體溫為37C， pKa = 6.38經(jīng)校正后pKa = 6.10，且HCO3 / CO2(溶解) = 20 / 1 。

22、正常血漿中：pH = 6.10 + lg 20 / 1 = 7.40醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液48碳酸在溶液中主要以溶解狀態(tài)的CO2形式存在。血漿中的碳酸緩沖小結(jié)：緩沖溶液的組成和作用緩沖作用機(jī)制：抗酸、抗堿成分通過(guò)平衡移動(dòng)，達(dá)到保持溶液pH值基本不變。pH值的計(jì)算(重點(diǎn))pH = pKa + lg共軛堿共軛酸有三種表示形式公式的校正：用活度表示濃度校正因子 lgB / HB 與溶液的離子強(qiáng)度及共軛酸的電荷數(shù)有關(guān)。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液49小結(jié)：緩沖溶液的組成和作用緩沖作用機(jī)制：抗酸、抗堿成分通過(guò)平影響緩沖溶液pH值的因素：溫度、緩沖比、稀釋等緩沖容量(重點(diǎn))：緩沖能力的定量標(biāo)度 = 2.303HBB / c總當(dāng)緩沖比為1時(shí)，極大= 0.57