1、Chap3 酸碱平衡和酸碱滴定法34 酸碱缓冲溶液教案首页授课内容 授课对象 学时安排Chap3 酸 碱 平 衡 和 酸 碱 滴 定 法3 4 酸 碱 缓 冲 溶 液化学本科(0501) 2 学时教学目的1、理解缓冲溶液的概念和作用原理；2、掌握缓冲溶液 pH 值的计算；3、理解缓冲指数、缓冲容量和缓冲范围；4、掌握缓冲溶液选择的原则；5、了解标准缓冲溶液。教学内容1、缓冲溶液的定义、组成及分类2、缓冲溶液的作用原理3、缓冲溶液 pH 值的计算4、缓冲指数、缓冲容量、缓冲范围5、缓冲溶液的选择6、标准缓冲溶液教学重点1、缓冲溶液的作用原理2、缓冲溶液的 pH 值的计算3、缓冲溶液的选择教学难点
2、 缓冲指数、缓冲容量教学方法 采用课堂讲授、举例与讨论相结合的教学方法作 业 习题： 5、6、7、8、9、10、11、12 教 材 分析化学武汉大学（第四版）参考书 北京师范大学等四大师大主编， 分析化学 ，高等教育出版社内容：导入：坐汽车，在汽车突然加速、减速时，会产生惯性，为防止惯性，要系安全带，安全 带起的是缓冲作用，由此，我们想缓冲溶液的意义， 应是具有缓冲作用的溶液，那么，安全带是用来缓冲惯性，缓冲溶液则是用来 缓冲 pH 值的。我 们知道，一般的溶液，酸性的，碱性的，或两性的，向其中加入少量的酸或碱后，PH 值就会减小或增大，而往缓冲液中加入少量酸或碱，溶液的 PH 值不会发生 显
3、著变化。一、 概念1、缓冲溶液(buffer solution)：能减缓因外加强酸或强碱以及稀释而引起的 pH 急剧变化的溶液。解释：p H 值不因加入少量酸或少量碱以及稍加稀释而发生显著变化。通常有以下三种情况：(1) 向溶液中加入少量的强酸或强碱；(2) 溶液中的化学反应产生少量的酸或碱；(3) 溶液稍加稀释。2、缓冲溶液的组成：(1) 共轭酸碱对(如:浓度较大的弱酸及其共轭碱，HAc-Ac ；浓度较大的弱碱及其共轭酸，NH 3NH 4 )；(2) 强酸（pH12） ；(3) 两性物质。3、分类（按用途）：(1) 一般酸碱缓冲溶液（用于控制溶液的 pH 值） ；(2) 标准缓冲溶液（校正
4、pH 计用） 。二、 缓冲溶液的作用原理1、以 HAc-NaAc 为例，说明其作用原理HAc-NaAc 缓冲溶液中，存在下列平衡：(1) NaAcNa+Ac- ，(2) HAc H+Ac-加入少量酸，则引入的 H+Ac-HAc；加入少量碱，则引入的 OH-+H+H20，可见 pH 值基本不变。2、以 NH3-NH4Cl 为例，说明其作用原理NH3-NH4Cl 缓冲溶液中，存在下列平衡：(1) NH3+ H20NH4+OH- ，(2) NH 4ClNH4+ Cl-加入少量酸，则 H+OH-H20；加入少量碱，则 OH-+NH4+ NH3H20，可见 pH 值基本不变。三、 缓冲溶液 pH 值的计
5、算以 HA-A-为例，计算 cHAmolL-1HA+cA-molL-1A-缓冲体系的 pH 值：物料平衡：Na +=cA-HA+A -=cHA+cA-电荷平衡：Na +H+=A-+OH-代入得，c A-+H+=A-+OH-，即：A -=cA-+H+-OH-将代入得，HA=c HA+cA-A-=cHA-H+OH-得，得，作为控制酸度的缓冲溶液，因为缓冲剂本身的浓度大，对计算结果也不要求准确，可用近似的方法计算：eg1.求 0.10molL-1HAc 和 0.20molL-1Ac-缓冲溶液的 pH 值。提示 直接用公式： +-HAHA+Ka=Ka-又 :c-AKa+lgH近 似 式 : pH=+c
6、-H c-+ +A HApH8,0,=a,cO,cO,=aH- - AA 当 时 当 时当 时 当 时 +-c-HO+A =Ka-精 确 式 :eg2.求 0.10molL-1 NH4+和 0.20molL-1 NH3H20 缓冲溶液的 pH 值。提示 直接用公式：eg3. 0.30molL-1 吡啶（C 5H5N）和 0.10molL-1 HCl 等体积混合，是否为缓冲溶液，求其 pH 值。提示 判断是否组成缓冲溶液，实际是判断是否生成共轭酸碱对，吡啶为有机弱碱，0.30molL-1 吡啶（C 5H5N）和 0.10molL-1 HCl 等体积混合，生成吡啶盐酸盐和过量的吡啶，二者是共轭酸碱
7、对，因此能组成缓冲溶液。直接用公式：注意：等体积反应浓度减半。eg4. 欲使 100mL0.10molL-1HCl 溶液的 pH 值从 1.00 增大至 4.44，需加入固 NaAc 多少克。提示 设需加入固 NaAc m 克。eg5. 今有某弱酸 HB 及其盐配制缓冲溶液，其中 HB 的浓度为 0.25molL-1。于此 100mL 缓冲溶液中加入 200mgNaOH（忽略溶液体积变化） ，所得溶液的 pH 值为 5.60。问原来所配制的缓冲溶液的 pH 值为多少？（设 HB 的 Ka=5.010-6）提示 关键：求原溶液中的 cB-。由 求得原溶液中的 cB-。c-0.2AKa+lgKa+
8、lg1Hp=pcCHN5pH=Ka+lg+0.3V-0.1 0.1V(c=, c=)CHN +52 2CHN5 -3 -3(-0.110M)/10NaAcac4.=.74+lg -3-3.10/-3-3201401+c-6 B5.60=-lg.10+lg2- -3(.5 )01cNHO0.232pH=Ka+lg=pKa+lg14四、 缓冲指数、缓冲容量及缓冲范围导入：以上节课的导出作为导入。 前面讲过，当向 缓冲溶液中加入少量 强酸或强碱或将溶液稍加稀释时，溶液的 pH 值基本保持不变。但是，如果继续加入强酸或强碱，比如无限度地加入大量的强酸或强碱，缓冲溶液 对酸或碱的抵抗能力就要减弱，甚至失
9、去缓冲作用。就是说，缓冲溶液的缓冲作用都是有一定的限度的，每一种缓冲溶液只能加入有限量的酸或碱，才能保持溶液的 pH 值不变。所以每一种 缓冲溶液只具有一定的缓冲能力， 缓冲指数和缓冲容量是衡量缓冲溶液缓冲能力大小的尺度。1、缓冲指数(buffer index)定义： dc加入强酸或强碱的无穷小量；dpHpH 的无穷小量。其物理意义：相关酸碱组分分布线的斜率， 具有加和性。加和性：结论：与缓冲溶液的总浓度 cHA 和组分比（共轭酸碱对的分布分数）有关：缓冲溶液分析浓度越大, 越大；总浓度一定时，组分比越接近 1：1，缓冲指数越大；并且，当组分比等于 1（即 cHA=cA-）时，有极值，缓冲溶液
10、的缓冲能力最大，此时，pH=pKa。2、缓冲容量(buffer capacity)=+-HAHOdd+-+ (dc=HdO+dHA)ppp+-=2.3H2.3O2.3cA-+p, =.H;-, 2.3O;-HApH(=Ka1), =2.3c.HA-强 酸 控 制 溶 液 时强 碱 控 制 溶 液 时体 系 控 制 溶 液 时定义： =c= pH=（ 2 A- 1A-）c HA缓冲容量；c外加强酸或强碱的量；pH 区间缓冲溶液所具有的平均缓冲指数；pH因 c 而发生的 pH 值的变化； 2 A- 终态 pH 值（即 pH2）时 A-的分布分数； 1 A- 初态 pH 值（即 pH1）时 A-的分
11、布分数；cHAHA 的总浓度（分析浓度） 。其物理意义：某缓冲溶液因外加强酸或强碱的量为 c 而发生 pH 的变化的幅度为pH。结论：影响 的因素为缓冲溶液的总浓度 cHA 和组分比（共轭酸碱对的分布分数）：缓冲溶液分析浓度越大, 越大；总浓度一定时，组分比越接近 1：1，缓冲容量越大；并且，当组分比等于 1（即 cHA=cA-）时， 有极值，缓冲溶液的缓冲能力最大；此时，pH=pKa。 与缓冲指数相一致。3、缓冲范围pKa1缓冲范围是指缓冲溶液起有效缓冲作用的有效 pH 值范围。eg. HAc-Ac-缓冲溶液其 pKa=4.74，那么，我们配制缓冲溶液时，要使其 pH 值在 3.745.74
12、 范围内。例如，前面计算缓冲溶液的 pH 值时，eg1. eg2. eg3.的 pH 值均在其有效缓冲范围之内：缓冲体系 pKa 有效缓冲范围 缓冲溶液的 pH 值eg1. HAc-Ac- 4.74 3.745.74 5.04eg2. NH3H2O-NH4+ 9.26 8.2610.26 9.56eg3. C5H5N-C5H5NH+ 5.23 4.236.23 5.53又如 HF-F - 3.18 2.184.18H2PO4-HPO42- 7.20(pKa2) 6.208.20以 0.10molL-1HAc-Ac 缓冲溶液为例，可绘制出其 -pH 曲线，如图所示： 图中，实线为 0.10mol
13、L-1HAc-Ac-溶液在不同 pH 值时的缓冲指数 ，虚线表示强酸和强碱溶液的缓冲指数 ，阴影部分表示在 pH46 时， HAc-Ac-缓冲体系所具有的缓冲容量 。从 -pH 曲线上，可得到以下下结论： (1) 曲线两侧 很高，说明一定浓度的强酸在 pH12 时具有较大的缓冲容量。若反应要求溶液的酸度控制在 pH02，或 pH1214 的范围内，则可用强酸或强碱控制其酸度；(2) 在 pH=pKa1 的范围内，缓冲溶液具有较大的缓冲容量，此范围即为有效缓冲范围，在此范围内，pH 离 pKa 点愈远， 愈小，并且，当 pH=pKa 时， 具有最大值，缓冲溶液的缓冲能力达到最大；超出此范围，缓冲
14、能力将显著下降。从缓冲组分的分布分数曲线来讨论缓冲容量的概念更为方便和直观。见教材 P61 图 2-6。五、如何选择缓冲溶液1、 关键：使欲控制的 pH 值落在缓冲溶液的缓冲范围之内（尽量与缓冲溶液的 pKa 接近） ；选时，先查出缓冲溶液中弱酸的 pka，算出 pka，得到缓冲范围，再看欲控制的溶液的 p值能落在哪个弱酸的 pka1 内，就以这一个弱酸及其共轭碱组成的缓冲溶液来控制 p。2、加入的缓冲溶液应不干扰测定，尤其对待测组分无干扰；3、缓冲溶液应有足够的缓冲容量；4、缓冲物质应廉价易得，避免污染。教材 P322 附录表 5 列出了常用的缓冲溶液。六、标准缓冲溶液还有一种缓冲溶液叫标准
15、缓冲溶液,标准缓冲溶液是用来校正 pH 计的，其 pH 值，一般由精确的实验测得。如果要以理论计算加以核对,须考虑活度，所以涉及到活度系数，进一步涉及到离子强度。最常用的几种标准缓冲溶液列举如下：pH 标准溶液 pH 值(25 )1. 饱和酒石酸氢钾 0.034 molL -1 3.562. 0.05molL-1 邻苯二甲酸氢钾 4.013. 0.25L-1 KH2PO4 0.025molL-1 Na2HPO4 6.864. 0.01molL-1 硼砂 9.18导出：我们将要做自来水总硬度测定的实验，实验中我们要控制溶液 pH 值为 10，请问：应选择何种缓冲溶液？查 P319 表，pka 在
16、 10 左右的挺多的，但 NH4+最易得到，其 pka9.26，选 NH4+及其共轭碱的溶液,即 NH3-NH4Cl 溶液为缓冲溶液。如果缓冲指数和缓冲容量学生不好接受，可以将二者合并讲：缓冲容量（）又称缓冲指数或缓冲值。其数学定义为：缓冲容量；b强碱的摩尔数；dbda= -pHp- -acn1 I2AA2pH=K+lg=pK+lg I=cZ lg=-0.5Z(-0.3I)a iii2 1+HHa强酸的摩尔数。其物理意义：使缓冲溶液的 pH 值增加（或减小）1 个单位，所需加入强碱（或强酸）的摩尔数。缓冲容量的大小与缓冲溶液的总浓度及组分比（即共轭酸碱对的分布分数）有关。总浓度越大，缓冲容量越大；总浓度一定时，缓冲组分的浓度比愈接近 1：1，缓冲容量愈大，当 ca： cb=1：1 时， 有极值，此时，pH=pKa。 （同分开讲是一致的）
