无机化学第四章 缓冲溶液

• 体内酸性物质增加时，HCO3-与H+结合，平 衡向左移动；
• 当碱性物质进入血液时，H2CO3浓度降低、 HCO3-浓度增高，H2CO3分解减弱，从而降低 了血浆中CO2的浓度。CO2分压降低对呼吸中 枢产生抑制，呼吸变浅变慢，减少排出CO2， 以维持H2CO3浓度。
CO2（溶解）+H2O
H2CO3
由于血液中多种缓冲系的缓冲作用和肺、肾 的调节作用，使正常人血液的pH维持在 7.35～7.45的狭小范围。 pH小于7.35，则发生
酸中毒，大于7.45，则发生碱中毒。
1、在10ml的0.0015mol/L的MnSO4溶液中，加入 5ml的0.15mol/L氨水，能否生成Mn(OH)2沉淀？ 如在上述MnSO4溶液中先加入0.535g固体NH4Cl， 然后再加5ml的0.15mol/L氨水，是否还能生成 Mn(OH)2沉淀？
[H+ ]=Ka
c酸 c共轭碱
1.75105
0.01 0.03
例：现有1.0L的缓冲溶液，内含0.05mol的
NH3和0.04mol的NH4Cl，计算该缓冲溶液的 pH。已知Kb(NH3)=1.75×10-5
[OH- ]=Kb
c碱 c共轭酸
[H+ ]=Ka
c酸 c共轭碱
通过两边同取负对数，得到缓冲溶液的pH计算
同一缓冲系的缓冲溶液，缓冲比越接近1，缓 冲容量越大，缓冲比越远离1，缓冲容量越小。
缓冲比等于1（即pH＝pKa）时，缓冲容量最大。 c共轭碱/c酸的比值称为缓冲比
总结：缓冲溶液的总浓度和缓冲比是影响缓冲容 量的两个重要因素。
二、缓冲范围
pH
pKa
lg
c共轭碱 c酸
pOH
pKb
lg
c共轭酸 c碱
公式如下：
pH
pKa
lg
c共轭碱 c酸
pka为弱酸解离常数的负对数。
c共轭碱/c酸的比值称为缓冲比，
c酸＋c共轭碱的和称为缓冲溶液的总浓度。
[OH- ]=Kb
c碱 c共轭酸
相应的，缓冲溶液的pOH值计算公式如下：
pOH
pKb
lg
c共轭酸 c碱
第三节 缓冲容量和缓冲范围
一、缓冲容量 根据缓冲溶液的缓冲机理，当缓冲溶液中加入 大量的酸，使Ac-消耗完全，溶液中基本只HAc， 或加入大量的碱，HAc与之完全反应，那么缓 冲溶液不再具有缓冲能力，因而任何缓冲溶液 的缓冲能力都是有一定限度的。
而体内是一个“敞开系统”，当HCO3-－CO2 （溶解）发生缓冲作用后， HCO3-或CO2 （溶解）的浓度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HCO3-和 CO2（溶解）的浓度保持相对稳定。
CO2（溶解）+H2O
H2CO3
H+ + HCO3-
CO2（溶解）+H2O
H2CO3
H+ + HCO3-
三、缓冲溶wk.baidu.com的组成
共轭酸
HAc NH4Cl H2PO4-
共轭碱
NaAc
NH3·H2O HPO42-
抗碱成分
缓冲系
抗酸成分
组成缓冲溶液的两对物质称为缓冲对。
在实际应用中还可采用酸碱反应的生成物与剩 余的反应物组成缓冲体系：
例如： HAc(过量) + NaOH
HCl + NaAc(过量)
NaAc-HAc HAc-NaAc
已知：Mn(OH)2的KSP=410-14， NH4Cl的分子量=53.5，氨水的Kb=1.810-5
1、在10ml的0.0015mol/L的MnSO4溶液中，加入5ml的0.15mol/L 氨水，能否生成Mn(OH)2沉淀？
Ip
Ip
如在上述MnSO4溶液中先加入0.535g固体NH4Cl，然后再加5ml 的0.15mol/L氨水，是否还能生成Mn(OH)2沉淀？
常见的缓冲系
缓冲系
HAc-NaAc
H2CO3-NaHCO3 H3PO4-NaH2PO4
Tris·HCl -Tris
H2C8H4O4- KHC8H4O4 NH4Cl - NH3
CH3NH3+Cl - CH3NH2 NaH2PO4- Na2HPO4 Na2HPO4- Na3PO4
质子转移平衡
HAc+H2O
第二节 缓冲溶液的pH计算
缓冲溶液pH值的计算（弱酸弱碱的同离子效应）
弱酸及其共轭碱：
[H+ ]=Ka
c酸 c共轭碱
弱碱及其共轭酸：
[OH- ]=Kb
c碱 c共轭酸
在0.10 mol/L的HAC溶液中加入固体NaAC并使其浓 度为0.10 mol/L，求[H+]。
起始浓度 平衡浓度
HAc 0.1 0.1-x
0.10 mol·L-1 NaCl溶液
0.10 mol·L-1 HAc — 0.10 mol·L-1 NaAc溶液中加入 HCl到0.010 mol·L-1 ，溶液 的pH由4.75变为4.74，改变 仅0.01pH单位。
0.10 mol·L-1 HAc — 0.10 mol·L-1 NaAc溶液
缓冲容量是衡量缓冲溶液缓冲能力大小的尺度。
1.缓冲溶液的总浓度对缓冲容量的影响： 缓冲溶液的总浓度越大，其缓冲容量越大。
c酸＋c共轭碱的和称为缓冲溶液的总浓度。
pH
pKa
lg
c共轭碱 c酸
pOH
pKb
lg
c共轭酸 c碱
pH
pKa
lg
c共轭碱 c酸
pOH
pKb
lg
c共轭酸 c碱
2.缓冲溶液的缓冲比对缓冲容量的影响
pH
pKa
lg
c共轭碱 c酸
1.选择合适的缓冲系
（1）使所需配制的缓冲溶液的pH在所选缓冲系
范围（ pKa±1）之内，并尽量接近弱酸的pKa 值，这样配制的缓冲溶液可有较大缓冲容量。
（2）所选缓冲系物质稳定，无毒，不能与溶液 中的反应物或生成物发生作用。
例：欲配制pH = 5.0的缓冲溶液 应选择体系NaAc - HAc体系，pKa = 4.74
Ip
例:欲配置250ml的pH＝5.00的缓冲溶液，应在 125ml浓度为1.0mol/L的NaAC溶液中加入浓度 为6.0mol/L的HAC和H2O各多少ml。 （已知：Ka=1.8×10－5）
3.计算所需缓冲系的量 通常使用相同浓度的弱酸及其共轭碱。
医学上广泛使用的缓冲溶液的配方列于表4－1 和表4－5，以便参考。
第五节 血液中的缓冲系
血液是由多种缓冲系组成的缓冲溶液
H2CO3—NaHCO3；NaH2PO4-Na2HPO4 HHb—NaHb(血浆蛋白及其钠盐)
HA—NaA (有机酸及其钠盐)
H+ + HCO3-
总之，肺部通过控制呼出CO2的量，精确 调节[HCO3-] / [H2CO3]的比值，维持血 液pH的相对恒定。肺的调节作用较迅速， 正常情况下10~30分钟内即可完成。
肾在维持酸碱平衡的作用中是通过保留 NaHCO3多少来调节 [HCO3-] / [H2CO3] 比值，使之维持正常。肾的调节作用比较缓 慢，通常需要数小时或数天才能够完成。
缓冲比等于1（即pH＝pKa）时，缓冲容量最大。
当缓冲比大于10：1或小于1：10时，可认 为缓冲溶液已基本失去缓冲作用的能力。
因此一般认为pH=pKa±1为缓冲作用的有效区间， 称为缓冲溶液的缓冲范围。
第四节 缓冲溶液的配制
一、缓冲溶液的配制方法 配制一定pH值的缓冲溶液，应按下述原则和步 骤进行。
H+ + Ac-
0
0.1
x 0.1+x
Ka
0.1 (0.2 (00.1.1 )x0).1x 0.02.1x0.2 0.1 0.10.1 x 0.1 0.1
Ka
[H
]
Ka
cHAC cAC
例：现有1.0L的缓冲溶液，内含0.01mol的
HAc和0.03mol的NaAc，计算该缓冲溶液的
pH。已知Ka(HAc)=1.75×10-5。
OH- + H+
H2O
共轭酸发挥了抵抗外来的强碱的作用，故称为 缓冲溶液的抗碱成分。
HAc
H+ ＋ Ac-
（3）当溶液稀释时，（ H+ ＋ Ac-）浓度都降低， 促使HAc 解离度增大， HAc 进一步解离所产生 的H＋离子可使溶液的pH基本保持不变。
Ka
c0
总结：由于缓冲溶液中同时含有较大量的抗碱 成分和抗酸成分，它们通过弱酸解离平衡的移 动以达到消耗外来的少量强酸、强碱或对抗稍 加稀释的作用，使溶液H+离子和OH-离子浓 度未有明显的变化，因此具有缓冲作用。
以HAc -NaAc体系为例：
HAc
H+ ＋ Ac-
（大）
（小） （大）
（1）若在溶液中加入少量强酸，外来H+将质子 传给Ac- ，平衡左移，溶液的pH保持基本不变。
缓冲体系中的共轭碱发挥抵抗外来强酸的作用， 故称之为缓冲溶液的抗酸成分。
（2）当溶液中加入少量强碱时，H+被OH-消 耗，HAc的解离反应向右移动，补充消耗掉的 H+离子。溶液的pH值基本不变。
H2CO3+ H2O
H3PO4+H2O Tris·H++H2O
H2C8H4O4+H2O NH4++H2O
CH3NH3++H2O H2PO4-+H2O HPO42-+H2O
Ac-+H3O+ HCO3-+H3O+ H2PO4-+H3O+
Tris+H3O+ HC8H4O4-+H3O+ NH3+H3O+ CH3NH2+H3O+ HPO42-+H3O+ PO43-+H3O+
在这些缓冲系中，以碳酸缓冲系在血液中浓度
最高，缓冲能力最大。在维持血液正常pH中发
挥的作用最重要。体系中存在如下平衡：
CO2（溶解）+H2O
H2CO3
H+ + HCO3-
正常血液中CO2（溶解）－ HCO3-缓冲系的缓 冲比为20：1，超出了体外缓冲溶液有效缓冲 比（即10：1），但在血液中它们的缓冲能力 是很强的。这是因为体外缓冲作用与体内缓 冲作用不相同。在体外，当此缓冲系发生作 用后，HCO3-或CO2（溶解）的浓度的改变得不 到补充或调节。
第四章 缓冲溶液
第一节 缓冲溶液及缓冲机制
实验
样品1，0.10 mol·L-1 NaCl溶液 样品2，含 HAc 和 NaAc 均为0.10 mol·L-1的
混合溶液 操作：滴加强酸 HCl 至c(HCl)=0.010 mol·L-1 观察现象：pH的变化
NaCl溶液中加入HCl到 0.010 mol·L-1 ，溶液的 pH由7变为2，改变了5个 pH单位。
例：欲配制pH = 9.0的缓冲溶液 应选择NH3-NH4Cl体系, pKb = 4.74, pKa = 9.26
2.配制的缓冲溶液的总浓度要适当，总浓度太 低缓冲容量过小，总浓度太高，离子强度太大 或渗透压力过高而不适用也会造成试剂的浪费。 所以通常选用总浓度在0.05～0.2mol·L-1范围之 内。
结论
HAc — NaAc 混合溶液具有抵抗外来少量 强酸、强碱而保持pH基本不变的能力。
一、缓冲溶液的缓冲作用和组成
实验说明：HAc －NaAc混合溶液具有抵 抗外来少量强酸、强碱而保持pH不变的能力。 这种能够抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释 而保持pH基本不变的溶液称为缓冲溶液。
二、缓冲机制