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缓冲溶液

缓冲溶液指的是由弱酸及其盐、弱碱及其盐组成的混合溶液,能在一定程度上抵消、减轻外加强酸或强碱对溶液酸碱度的影响,从而保持溶液的pH值相对稳定。

在生化研究工作中,常常需要使用缓冲溶液来维持实验体系的酸碱度。研究工作的溶液体系pH值的变化往往直接影响到研究工作的成效。如果“提取酶”实验体系的pH值变动或大幅度变动,酶活性就会下降甚至完全丧失。所以配制缓冲溶液是一个不可或缺的关键步骤

缓冲溶液是无机化学及分析化学中的重要概念,缓冲溶液是指具有能够维持PH相对稳定性能的溶液。pH值在一定的范围内不因稀释或外加少量的酸或碱而发生显著的变化,缓冲溶液依据共轭酸碱对及其物质的量不同而具有不同的pH值和缓冲容量。

假设缓冲溶液里含有弱酸HA以及它的共轭碱

水合氢离子的浓度取决于弱酸与其共轭碱的浓度比。当加入少量强碱时,酸被中和,导致了氢氧根离子在溶液中很少累积,从而

常用作缓冲溶液的酸类由弱酸及其共轭酸盐组合成的溶液具有缓冲作用。常见的缓冲体系有:

1、弱酸和它的盐(如HAc---NaAc)

2、弱碱和它的盐(NH3H2O---NH4Cl)

3、多元弱酸的酸式盐及其对应的次级盐(如NaH2PO4---Na2HPO4)的水溶液组成。

而生化实验室常用的缓冲系主要有磷酸、柠檬酸、碳酸醋酸巴比妥酸Tris三羟甲基氨基甲烷)等系统,生化实验或研究工作中要慎重地选择缓冲体系,因为有时影响实验结果的因素并不是缓冲液的pH值,而是缓冲液中的某种离子。如硼酸盐、柠檬酸盐、磷酸盐和三羟甲基甲烷等缓冲剂都可能产生不需要的化学反应。

硼酸盐:硼酸盐与许多化合物形成复盐、如蔗糖。

柠檬酸盐:柠檬酸盐离子容易与钙结合,所以存在有钙离子的情况下不能使用。

磷酸盐:在有些实验,它是酶的抑止剂或甚至是一个代谢物,重金属易以磷酸盐的形式从溶液中沉淀出来。而且它在pH7.5以上时缓冲能力很小。

三羟甲基氨基甲烷它可以和重金属一起作用,但在有些系统中也起抑制作用。其主要缺点时温度效应。这点往往被忽视,在室温pH是7.8的Tris缓冲液,4℃时是8.4,37℃时是7.4,因此,4℃配制的缓冲液在37℃进行测量时,其氢离子浓度就增加了10倍。在pH7.5以下,其缓冲能力极为不理想。

在前面提到,

将等式同时取对数,并简化就可以得到:

这就是Henderson-Hasselbalch方程。

值得注意的是,式子中酸及其共轭碱的浓度都是平衡时的浓度,除了酸性过于强的情况下,由于同离子效应的存在,一般都可用此式计算,

根据此式可得出下列几点结论:

1 缓冲液的pH值与该酸的电离平衡常数Ka及盐和酸的浓度有关。弱酸的pKa值衡定,但酸和盐的比例不同时,就会得到不同的pH值。酸和盐浓度相等时,溶液的pH值与PKa值相同。

2 酸和盐浓度等比例增减时,溶液的pH值不变。

3 酸和盐浓度相等时,缓冲液的缓冲效率为最高,比例相差越大,缓冲效率越低,缓冲液的一般有效缓冲范围为pH=pKa±1,pOH=pKb±1。

只要知道缓冲对的PH值,和要配制的缓冲液的pH值(及要求的缓冲液总浓度),就能按公式计算[盐]和[酸]的量。这个算法涉及对数换算,较麻烦,前人为减少后人的计算麻烦,已为我们总结出pH值与缓冲液对离子用量的关系并列出了表格。只要我们知道要配制的缓冲液的pH,经查表便可计算出所用缓冲剂的比例和用量。例如配制500nm pH5.8浓度为0.1M磷酸缓冲液。

经查表知pH5.8浓度为0.2M Na2HPO48.0毫升(1M=1 mol/L),而0.2M Na2HPO492.0毫升。依此可推论出配制100ml 0.1M的磷酸缓冲液需要0.1M Na2HPO48.0毫升,而0.1M Na2HPO4需要92.0毫升。

计算好后,按计算结果准确称好固态化学成分,放于烧杯中,加少量蒸馏水溶解,转移入50ml容量瓶,加蒸馏水至刻度,摇匀,就能得到所需的缓冲液。

各种缓冲溶液的配制,均按表格按比例混合,某些试剂,必须标定配成准确浓度才能进行,如醋酸、氢氧化钠等。另外,所有缓冲溶剂的配制计量都能从以上的算式准确获得。

分析测试中,在络合滴定和分光光度法等许多反应里都要求溶液的pH值保持在一个范围内,以保证指示剂的变色和显色剂的显色等,这些条件都是通过加入一定量的缓冲溶液达到的,所以缓冲溶液是分析测试中经常需要的一种试剂。 采用电位滴定法测定外加酸或碱对不同配比同一种缓冲溶液的滴定曲线,不仅有助于理解缓溶液及缓冲容量的概念而且对分析测试中正确选缓冲溶液的配制方法及用量具有指导意义。

采用电位滴定法测定缓冲溶液的滴定曲线,选择 了常见的氨水-氯化铵缓冲溶液,分别按照不同的配比得到4种缓冲溶液,实验测定了强酸、强碱对缓冲 溶液的滴定曲线,滴定结果直观清晰,对理解缓冲容 量的概念及实践中缓冲溶液的选择有积极的意义。

同时,我们人体的正常生理环境的维持离不开缓冲溶液,认识学习缓冲溶液有利于我们深入认识人体复杂化学反应的机制。缓冲溶液对维持着人体正常的血液p H范围。其中碳酸-碳酸氢钠是血浆中最主要的缓冲对,此对缓冲机制与肺的呼吸功能及肾的排泄和重吸收功能密切相关。正常人体代谢产生的二氧化碳进入血液后与水结合成碳酸,碳酸与血浆中的碳酸氢根离子组成共轭酸碱对,所以缓冲溶液在医学检验中有着重要的意义。

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