光盘3-3缓冲溶液.doc

第三章 缓冲溶液 1、什么是缓冲溶液? 什么是缓冲容量? 决定缓冲溶液pH和缓冲容量的主要因素各有哪些? 答：能够抵抗外来的少量强酸或强碱或稍加稀释，而保持pH基本不变的溶液称为缓冲溶液。 缓冲容量是缓冲能力大小的量度。定义为：单位体积的缓冲溶液pH改变1时（DpH=1），所需加入的一元强酸或强碱的物质的量。 决定缓冲溶液pH的主要因素是pKa 和缓冲比。 决定缓冲容量的主要因素是总浓度和缓冲比。 2、试以KH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液为例，说明为何加少量的强酸或强碱时其溶液的pH值基本保持不变。 答：KH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液由浓度较大的H2PO4-和HPO42-，有同离子效应，处于质子传递平衡： H2PO4- + H2O HPO42- + H3O+ Na2 HPO4 ─→ HPO42- + 2Na+ 其中HPO42-是抗酸成分，当加入少量强酸时，HPO42-与H3O+ 结合成H2PO4-而使平衡左移，[HPO42-]略为减少，[H2PO4-]略有增加，溶液的H3O+ 浓度无显著的增加。H2PO4-是抗碱成分，当加入少量强碱时，OH-溶液的H3O+生成H2O，平衡右移，H2PO4-进一步解离，提供更多的H3O+。达到新的平衡时，[H2PO4-]略为减少，[HPO42-]略有增加，溶液的H3O+ 浓度无显著的减少。 3、已知下列弱酸pKa，试求与NaOH配置的缓冲溶液的缓冲范围． (1) 硼酸 (H3BO3)的pKa ＝ 9.27 (2) 丙酸 (CH3CH2COOH)的pKa ＝ 4.89 (3) 磷酸二氢钠 (NaH2PO4) pKa ＝ 7.21 (4) 甲酸 (HCOOH) pKa ＝ 3.74 答：缓冲溶液的缓冲范围为pH ＝ pKa±1，超出此范围则缓冲容量太低。 ⑴ pH ＝ 8.27~10.27 ⑵ pH ＝ 3.89~5.89 ⑶ pH ＝ 6.21~8.21 ⑷ pH ＝ 2.74~4.74 4、0.20 mol·L-1 NH3 和 0.10 mol·L-1 NH4Cl组成的缓冲溶液的pH为多少? 已知pKb = 4.75。 【解】 pKa = 14.00－pKb = 14.00－4.75 = 9.25 pH＝ pKa + lg pH ＝ 9.25 + lg = 9.55 5、 计算下列NH3和[NH4Cl组成的不同pH的缓冲溶液的[NH3]/[NH4+]缓冲比。已知pKb= 4.75。⑴ pH = 9.00 ⑵ pH = 8.80 ⑶ pH = 10.00 ⑷ pH = 9.60 【解】缓冲比的计算可利用Henderson—Hasselbalch方程式： pKa = 14.00-pKb = 14.00 - 4.75 = 9.25 pH＝pKa+lg， = ⑴ pH = 9.00： [NH3]/[NH4+] = 0.56 ⑵ pH = 8.80： [NH3]/[NH4+] = 0.35 ⑶ pH = 10.00： [NH3]/[NH4+] = 5.6 ⑷ pH = 9.60： [NH3]/[NH4+] = 2.2 6、 一个由 0.25 mol · L-1 KHCO3 和 0.32 mol · L-1 K2CO3组成的缓冲溶液，H2CO3是二元酸： Ka1= 4.5´10-7；Ka2= 4.7´10-11 ⑴ 那一个Ka对于这个缓冲溶液是更重要? ⑵ 这个缓冲溶液的pH为多少? 【解】组成缓冲溶液的缓冲对为KHCO3 和 K2CO3，其中共轭酸为HCO3-；共轭碱为CO32- 。 ⑴ 计算缓冲溶液pH的Henderson—Hasselbalch方程式： pH＝pKa+lg 式中Ka为共轭酸的酸常数，所以Ka2 = 4.7´10-11对于这个缓冲溶液更重要。 ⑵ pH＝pKa2(H2CO3) + lg pH= -lg(4.7´10-11) + lg = 10.44 7、 用0.055mol·L-1KH2PO4和0.055mol·L-1Na2HPO4两种溶液配成pH近似值为7.40的缓冲溶液1 000mL，问需取上述溶液各多少毫升? pKa(H2PO4-) = 7.21 【解】相同浓度共轭酸、碱组成缓冲溶液的配制，缓冲溶液pH值的计算可利用Henderson—Hasselbalch方程式(3-4)： pH = pKa + lg 7.40 = 7.21 + lg =10=1.55 V(H2PO4- ) + V(HPO42-) = 1 000 mL V(H2PO4- ) = 392 mL V(HPO42-) = 608 mL 8. 阿司匹林(乙酰水杨酸、以Hasp表示)以游离酸（未解离的）形式从胃中吸收，若病人服用解酸药，调整胃容物的pH值为2.95，然后口服阿司匹林0.65g。假设阿司匹林立即溶解，且胃容物的pH不变，问病人可以从胃中立即吸收的阿司匹林为多少克（乙酰水杨酸的Mr=180.2、pKa=3.50）？ 解： pH ＝ pKa + lg= 3.50 + lg =2.95 = 0.28 又：n(Asp-) + n(HAsp) = = 0.00361 mol n(HAsp) = 0.00281mol 被吸收的阿司匹林的质量m = 0.00281 mol ×180.2 g·mol-1 = 0.51 g 9、配制pH＝7.40的缓冲溶液1 500 mL。 ⑴ 今有缓冲系CH3COOH-CH3COONa、KH2PO4-Na2HPO4、NH4Cl-NH3，问选用何种缓冲系最好? ⑵ 如选用的缓冲系的总浓度为0.200 mol·L-1，需要固体共轭酸和固体共轭碱物质的量为多少 (假设不考虑体积的变化)? 【解】 ⑴ 由于pKa(H2PO4-) = 7.21，更接近所需缓冲溶液的pH，在相同总浓度下缓冲容量最大，所以选择KH2PO4-Na2HPO4缓冲系。 ⑵ pH = pKa (H2PO4-) + lg 7.40 = 7.21 + lg =10=1.55 n(总)= + = 0.200 mol·L-1×1.5L = 0.3 mol = 0.182 mol = 0.118 mol 10、 溶解有NH4Cl和 NH3 的溶液中NH3 的浓度为0.500 mol · L-1，并且溶液的pH 是 8.95，pKa(NH4+) = 9.25。 ⑴ 计算NH4+的平衡浓度 ⑵ 当4.00g的 NaOH(s)被加入到1.00 L的此溶液后，pH为多少? (忽略体积的变化) 【解】 ⑴ 计算可利用Henderson—Hasselbalch方程式(3-1) pH＝pKa+lg 8.95＝ 9.25 + lg [NH4+]=1.0 mol·L-1 ⑵ 4.00g 的 NaOH(s)的物质的量n = 0.100 mol pH＝pKa + lg = 9.25 + lg = 9.07 11、单纯性酸碱失衡主要靠血气分析诊断，根据pH的变化可判断酸中毒还是碱中毒。临床检验测得三人血浆中HCO3-和溶解的CO2的浓度如下： ⑴ [HCO3-]＝24.0 mmol·L-1、[CO2(aq)]＝1.20 mmol·L-1 ⑵ [HCO3-]＝21.6 mmol·L-1、[CO2(aq)]＝1.34 mmol·L-1 ⑶ [HCO3-]＝56.0 mmol·L-1、[CO2(aq)]＝1.40 mmol·L-1 试计算三人血浆的pH，并判断何人属正常，何人属酸中毒（pH＜7.35＝，何人属碱中毒（pH＞7.45）。pKa1，[H2CO3]=6.10(37℃)。 【解】CO2(aq)是共轭酸；HCO3-是共轭碱: pH＝pKa1́[CO2(aq)] + lg ＝6.10 + lg ⑴ pH＝6.10 + lg = 7.40 正常 ⑵ pH＝6.10 + lg = 7.31＜7.35 酸中毒 ⑶ pH＝6.10 + lg =7.70＞7.45 碱中毒 12、 由184 mL 0.442 mol · L-1 HCl 和 0.500L 0.400 mol · L-1 NaAc混合形成的缓冲溶液，已知pKa(HAc) = 4.76，问： ⑴ 此缓冲溶液的pH为多少? ⑵ 多少质量KOH固体加到 0.500 L此缓冲溶液可以使pH 改变0.15 (DpH = 0.15)? 【解】 ⑴ 此缓冲溶液的pH 计算可利用Henderson—Hasselbalch方程式(3-3) pH＝ pKa + lg pH＝4.76 + lg = 4.92 ⑵ [Ac-] = = 0.173 mol · L-1 [HAc] = = 0.119 mol · L-1 加入KOH后缓冲溶液时pH： pH＝ pKa + lg 4.92 + 0.15 = 4.76 + lg = 2.04 n(KOH) = 0.0115mol m (KOH固体) = 0.64g 13、 柠檬酸（缩写为H3Cit）及其盐为一种多元酸缓冲系，常用于配制供培养细菌用的缓冲溶液。如用1 000 mL的0.200 mol·L-1柠檬酸，须加入多少质量的NaOH固体，才能配成pH为5.00的缓冲溶液? (已知柠檬酸的pKa1＝3.14，pKa2＝4.77，pKa3＝6.39) 【解】由于pKa2更接近所需的缓冲溶液的pH，所以应该选择H2Cit-和H2Cit2-缓冲系， 而H2Cit-和H2Cit2-是H3Cit与NaOH反应生成： H3Cit + NaOH = H2Cit- +H2O ，第一步反应需要NaOH物质的量为n1，则 n1 = n (H3Cit) = 0.200 mol·L-1 × 1.00 L = 0.200 mol ，生成的H2Cit-物质的量也相等： n (H2Cit-) = 0.200 mol 。 设第二步反应所需NaOH物质的量为n2 ，则 H2Cit- + NaOH = HCit2- + H2O 0.200－n2 n2 n2 pH＝ pKa2 + lg 5.00 = 4.77 + lg =10= 1.70 n2 = 0.126 mol n(NaOH) = n1 + n2 = 0.326 mol m (NaOH) = n(NaOH) MB = 0.326 × 40.0 = 13.0 g 14、今欲配制37℃时pH近似为7.40的缓冲溶液，试求在Tris和Tris·HCl浓度均为0.050 mol·L-1，总体积为1.0 L的溶液中，需加0.10 mol·L-1 HCl多少体积?在此溶液中需加入多少NaCl固体才能配成与渗透浓度为300 mmol·L-1等渗的溶液? (已知Tris·HCl在37℃时的pKa＝ 7.85；忽略离子强度的影响)。 【解】根据Henderson—Hasselbalch方程式（3-1） pH＝pKa+lg pH＝pKa+lg ⑴ 设需加0.10 mol·L-1HCl的体积为V（HCl），则 7.40 = 7.85 + lg =10=0.35 V（HCl）=0.24 L ⑵ 总体积为V（总）=1.0 L + 0.24 L = 1.24 L，设加入的mol·L-1的质量为m ，有 cos = +2×+2× = 0.3 mol·L-1 m（NaCl）=5.8 (g) 15、Choose the factor that determine the capacity of a buffer from among the following and explain your choices: ⑴ Conjugate acid-base pair ⑵ pH of the buffer ⑶ Concentration of buffer-component reservoirs ⑷ Buffer range ⑸ Buffer-component ratio ⑹ pKa of the acid component 注：Conjugate acid-base pair——共轭酸-碱对，Buffer range——缓冲范围，Buffer-component ratio——缓冲比， 【解】选⑶ 和 ⑸ ，缓冲容量取决于总浓度和缓冲比。 16、What are the [H3O+] and the pH of a propionate buffer that consists of 0.25 mol · L-1 CH3CH2COONa and 0.15 mol·L-1 CH3CH2COOH ? Ka (CH3CH2COOH) = 1.3´10-5 注：propionate—— 丙酸盐 【解】pKa(CH3CH2COOH) = -lg1.3´10-5 = 4.89 pH＝pKa+lg pH = 4.89 + lg = 5.11 [H3O+]=7.8´10-6 mol · L-1 17、What the pH of a buffer that consists of 0.55 mol · L-1 HCOOH and 0.63 mol · L-1 HCOONa? pKa=3.75 【Solution】 pH＝pKa+lg =3.75 + lg=3.81 18、A buffer is prepared by mixing 50.0 mL of 0.050 mol · L-1 sodium bicarbonate and 10.0 mL of 0.10 mol · L-1 NaOH. pKa2(H2CO3)=10.32. ⑴ What is the pH? ⑵ How many mass of HCl must be added to 25.0 mL of the buffer to change the pH by 0.07 units? 注：sodium bicarbonate——碳酸氢钠 【解】 ⑴ pH＝pKa2(H2CO3) + lg =10.32 + lg=10.14 ⑵ pH+ D pH＝pKa2(H2CO3) + lg 10.14 - 0.07 = 10.32 +lg =10=0.56 n(HCl)= 0.044mol m(HCl)=1.6g 19、Normal arterial blood has an average pH of 7.40. Phosphate ions is one of the key buffering systems in the blood. Find the buffer-component ratio of a Na2HPO4/ KH2PO4。pKa(H2PO4-)=7.21 注：arterial blood——动脉血，Phosphate ions——磷酸盐离子 【解】 pH = pKa (H2PO4-) + lg 7.40 = 7.21 + lg = 10 = 1.55 20、As an FDA (Food and Drug Administration食品及药物管理局) physiologist, you need 0.600 L of formate buffer with a pH of 3.75. [pKa(HCOOH) =3.75] ⑴ What is the required buffer-component ratio? ⑵ How would you prepare this solution from stock solutions of 1.0 mol · L-1 HCOOH and 1.0 mol · L-1 NaOH? [Hint: Mix x mL of HCOOH with (600-x) mL of NaOH.] ⑶ What is the final concentration of HCOOH in this solution? 注：stock solutions——贮备溶液，Hint——提示， 【解】⑴ pH ＝ pKa + lg 3.75 =3.75 + lg = 1 ⑵ 取400 mL 1.0 mol · L-1 HCOOH 和200 mL 1.0 mol·L-1 NaOH. ⑶ 0.333 mol · L-1 HCOOH 21、 A buffer solution is made by adding 75g of sodium acetate to 500.0 mL of a 0.64 mol · L-1 solution of acetic acid. What is the pH of the final solution?(Assume no volume change.). pKa(acetic acid) = 4.76 【解】 pH＝ pKa + lg pH＝ 4.76 + lg pH＝5.22 22、The pH of human blood is always close to 7.40. Calcilate the ratio of [HCO3-]/[ CO2] in blood at this pH. pKa1，[H2CO3] = 6.10 (37°C) 【解】 pH ＝pKa1，[CO2(aq)] + lg 7.40 ＝ 6.10 + lg lg = 7.40－6.10 = 1.30 =20 29