缓冲溶液教学教案

缓冲溶液教学教案
【引言】：血液pH范围为7.35 ~ 7.45，不因代谢过程中产生酸、碱性物质而变化，血液是缓冲溶液，缓冲溶液如何维持pH不变。

一、缓冲溶液的组成及作用机理
（一）缓冲溶液的组成
HAc — NaAc 加少量HCl、NaOH、ΔpH很小
缓冲溶液：能抵抗外加少量强酸或强碱，而维持pH基本不发生变化的溶液。

缓冲作用：缓冲溶液所具有的抵抗外加少量强酸或强碱的作用。

缓冲溶液的组成：足够浓度的共轭酸碱对（缓冲对）
由足够浓度的共轭酸碱对组成的缓冲溶液，所起作用是抗酸、抗碱，如何抗得。

（二）缓冲作用机理
以HAc — NaAc为例 HAc、NaAc足量
HAc + H
2O H
3
O+ + Ac-
+
左移 H
3
O+抗酸成分
+
抗碱成分右移 OH-
2H
2
O
共轭酸—抗碱成分共轭碱—抗酸成分
【小结】：机理三要点:方程（酸解离）,平衡移动方向，抗酸、碱成分
NH
4+— NH
3
缓冲系、抗碱成分 NH
4
+
缓冲作用0.1mol⋅L-1 HAc—NaAc
0.1mol⋅L-1 HCl、NaOH
浓度大，少量酸、碱，浓度几乎不变
二、缓冲溶液pH的计算
（一）公式推导
HA — NaA C（HA） C（A-）
HA + H
2O H
3
O+ + A-
C（HA）- Ceq(H
3O+) Ceq(H
3
O+) C（A-）+ Ceq(H
3
O+)
≈C（HA）≈C（A-）
Kaθ（HA）=
θθ
θ
C
HA
C
C A
C
C
O
H
Ceq
/
] /
][
/
[
3
）
（
）（
）
（-
+
Ceq(H
3O+)/Cθ=
)
(
)
(
)
(
-
A
C
HA
C
HA
Kaθ
pH=)
()(lg
)(HA C A C HA pKa
-
+θ
)
()(HA C A C -
—缓冲比r ，C 为缓冲液，不是混合前
p Ka θ： HAc- NaAc p Ka θ（HAc ）、NH 4Cl-NH 3 p Ka θ（NH 4+）、H 2PO 4- - HPO 42- p Ka θ2（H 3PO 4）
（二）其他形式 pH==+-
V
HA n V A n HA pKa
/)(/)(lg
)(θ
)
()(lg
)(HA n A n HA pKa
-
+θ
当C （HA ）=C （A -） pH==+-
-)
()()()(lg
)(HA V HA C A V A C HA pKa
θ
)
()(lg
)(HA V A V HA pKa
-
+θ
【小结】：决定缓冲溶液pH 的主要因素有：p Ka θ
（HA ）和r
（三）应用
书P 101例5-8 25℃时，在1.0LHAc-NaAc 缓冲溶液中含有0.10mol HAc 和0.20mol NaAc 。

（1）计算此缓冲溶液的pH ；
（2）向100mL 该缓冲溶液中加入10mL 0.10 mol ⋅L -1 HCl 溶液后，计算缓冲溶液的pH ； （3）向100mL 该缓冲溶液中加入10mL 0.10 mol ⋅L -1 NaOH 溶液后，计算缓冲溶液的pH ； （4）向100mL 该缓冲溶液中加入1L 水稀释后，计算缓冲溶液的pH 。

Ka θ（HAc ）=1.8⨯10-5 解：(1)pH=10
.020.0lg
10
8.1lg 5
+⨯--=5.05
(2)pH=10.0010.010010.0010.0100lg
10
8.1lg 100010.0100020.05
⨯+⨯⨯-⨯+⨯--=4.98
(3)pH=10
.0010.010010.0010.0100lg 10
8.1lg 1000
10.0100020.05
⨯-⨯
⨯+⨯+⨯--=5.11
(4) pH=10
.020.0lg 108.1lg 5
+⨯--=5.05
三、缓冲容量和缓冲区间 （一）缓冲容量β
定量表示缓冲溶液的缓冲能力 1、定义 VdpH
dna VdpH
dnb -
==
β
单位体积的缓冲溶液的pH 增大或减小1时，所需加入强酸或强碱的物质的量 单位: mol ⋅L -1
β↑ 缓冲能力↑
2、影响β的因素
)]()([)
1(3.22
-
+⨯+⨯
=A C HA C r r β
C(HA)+C(A -
)=C 总 )
()(HA C A C r -
=
缓冲比
【小结】：(1) C 总 r 定 C 总↑ β↑
(2) r C 总定 r=1 β最大
)]()([4
3.2max -
+⨯=
A C HA C β
r 远离1 β↓
书P 103例5-9 计算下列缓冲溶液的缓冲容量： (1)0.10mol ⋅L -1 HAc —0.10mol ⋅L -1 NaAc 溶液； （2）0.010mol ⋅L -1 HAc —0.010mol ⋅L -1
NaAc 溶液； （3）0.050mol ⋅L -1 HAc —0.15mol ⋅L -1 NaAc 溶液。

解：（1）β1=)10.010.0()
1(3.22
10
.010.010
.010
.0+⨯+
⨯
=0.12(mol ⋅L -1)
(2)β2=)010.0010.0()
1(3.22
010
.0010.0010
.0010.0+⨯+
⨯
=0.012(mol ⋅L -1)
(3)β3=)15.0050.0()
1(3.22
050
.015.0050
.015.0+⨯+
⨯
=0.086(mol ⋅L -1)
缓冲液有缓冲作用除了要有足够浓度的缓冲对，还要适当缓冲比，缓冲比为多少无缓冲作用。

（二）缓冲区间 r 远离1,β↓
r<0.1 无缓冲作用 pH= p Ka θ-1 r>10 pH= p Ka θ+1
缓冲区间：缓冲溶液能发挥缓冲作用的pH 范围
pH=p Ka θ（HA ）±1
HAc —NaAc p Ka θ（HAc ）=4.74 pH=3.74~5.74 NH 4Cl —NH 3 p Kb θ（NH 3）=4.74 pH=8.26~10.26 H 2PO 4-—HPO 42- p Ka θ2（H 3PO 4）=7.21 pH=6.21~8.21
四、缓冲溶液的选择与配制
为了有足够的β，必须满足下列原则和步骤:
（1）选择合适的缓冲对 p Ka θ
（HA ）与pH 接近，r 接近1 （2）适当的总浓度 0.05 ~0.2 mol ⋅L -1
C(HA)=C(A -)=0.10 mol ⋅L -1
(3)计算所需缓冲对的量 (4)校正 (pH 计)
书P 105 例5-10 用浓度均为0.10 mol ⋅L -1的弱酸和其共轭碱溶液配制100ml pH 为5.00的缓冲溶液。

可供选择的试剂有：(1)NH 4Cl —NH 3 p Kb θ
（NH 3）=4.74
(2)NaH 2PO 4—Na 2HPO 4 p Ka θ2(H 3PO 4)=7.21
(3)HAc —NaAc p Ka θ
(HAc)=4.74 解：选HAc —NaAc 5.00=)
(100)(lg
74.4NaAc V NaAc V -+
V(NaAc)=64.5(mL)
V(HAc)=100-64.5 =35.5(mL)
取0.10 mol ⋅L -1 HAc 和NaAc 各35.5mL 和64.5mL 混合。

五、缓冲溶液在医学上的意义
血液 pH=7.35~7.45 代谢物质pH 不变
1、组成
NaHCO 3—H 2CO 3 ，Na 2HPO 4—KH 2PO 4，Na 蛋白质—H 蛋白质 能力最大 2、缓冲机理
Ka θ
1
CO 2（溶解）+2H 2O H 3O + + HCO 3-
+
CO 2（g ）（肺） H 3O + 肾 抗碱成分 + 抗酸成分
OH
-
2H 2O
【例题分析】：3. pH 计算
例 已知正常血液中HCO 3-—CO 2（溶解）的pKa θ'1（H 2CO 3）=6.10（6.35），C （HCO 3-）=0.024 mol ⋅L -1、C （CO 2溶）=0.0012 mol ⋅L -1，求血液的pH 。

解：pH=6.10+lg
0012.0024.0=6.10+lg20=7.40
讨论：体外缓冲比10
1~10
体内缓冲比20 4、人体调节作用
CO 2—HCO 3- CO 2↑HCO 3-↓ CO 2↓HCO 3-↑
肺 抗酸 加快吐出 CO 2 抗碱 减慢呼出CO 2 肾 减少排泄HCO 3- 加速排泄HCO 3-
肺部换气不足（CO 2吐出慢）引起酸中毒。