文档介绍：缓冲溶液
缓冲溶液是一类能够抵制外界加入少量酸和碱的影响,仍能维持pH值基本不变的溶液。该溶液的这种抗pH变化的作用称为缓冲作用。缓冲溶液通常是由一或两种化合物溶于溶剂(即纯水)所得的溶液,溶液内所溶解的溶质(化合物)称之为缓冲剂,调节缓冲剂的配比即可制得不同pH的缓冲液。
缓冲溶液的正确配制和pH值的准确测定,在生物化学的研究工作中有着极为重要的意义,因为在生物体内进行的各种生物化学过程都是在精确的pH值下进行的,而且受到氢离子浓度的严格调控,能够做到这一点是因为生物体内有完善的天然缓冲系统。生物体内细胞的生长和活动需要一定的pH值,体内pH环境的任何改变都将引起与代谢有关的酸碱电离平衡移动,从而影响生物体内细胞的活性。为了在实验室条件下准确地模拟生物体内的天然环境,就必须保持体外生物化学反应过程有体内过程完全相同的pH值,此外,各种生化样品的分离纯化和分析鉴定,也必须选用合适的pH值,因此,在生物化学的各种研究工作中和生物技术的各种开发工作中,深刻地了解各种缓冲试剂的性质,准确恰当地选择和配制各种缓冲溶液,精确地测定溶液的pH值,就是非常重要的基础实验工作。下表列出某些人体体液的pH值:
表1—3 人体体液pH
体液
pH
体液
pH
血清
~
大肠液
~
***胃液
~
泪
~
唾液
~
尿
~
胰液
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脑脊液
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基本概念
⑴ Brönsted-Lowry酸碱理论(又称酸碱质子理论)。1923年由丹麦化学家
ö,发展了酸碱理论,被后人称为酸碱质子理论或Brönsted-Lowry酸碱理论。他们认为凡能释放质子的分子或离子(如:H2O,HCl,NH4+,HSO4—等)称为酸,凡能接受质子的分子或离子(如:H2O,NH3,Cl—等)称为碱。因此,一种酸释放质子后即成为碱,称为该酸的共轭碱,同样一种碱与质子结合后,形成对应的酸,称为该碱的共轭酸。
A—H + B— A + B—H
酸1 碱2 碱1 酸2
酸1 是碱1的共轭酸, 碱2 是酸2 的共轭碱。
如盐酸在水中的解离:
HCl Cl—+ H+
HCl是酸,Cl—是它的共轭碱。
⑵缓冲体系的设计:
强电解质溶于水几乎全部解离为正负离子,弱电解质溶于水时,则不完全解离,只有部分的分子解离出正负离子,其馀以分子形式存在于溶液中。例如弱酸(HA)及其盐溶于水时,只有部分HA解离为 H+ 和 A—离子,其平衡方程式如下:
K1
HA A—+ H+ (1-1)
K2
∴(1-2)
(1-2)式两边取负对数: (1-3)
(1-3)式中: [HA] —为弱酸的浓度
[H+] —为HA解离出的氢离子浓度
[A—] —为HA的共轭碱的离子浓度
K1 —为酸解离的速度常数
K2 —为A—与H+ 缔合的速度常数
Ka —为反应方程(1-1)达平衡时HA的解离平衡常数
现将HA的pKa 定义为-lg Ka,将HA溶液的pH定义为-log[H+],
 
∴(1-3)式可写为: (1-4)
或: ( 1-5)
方程(1-4)称为:Henderson-Hassel-Balch方程,此方程对于生物化学学科,在理论与实践上都具有重要意义。该方程表示了溶液pH与溶质中可解离基团pKa之间的关系。很明显,当[A—]=[HA]时:
∴ pH = pKa
这就意味着当[HA]有一半解离时,溶液的pH等于 pKa,此弱酸-碱缓冲体系的pKa即代表缓冲范围的中点。一个缓冲体系的有效缓冲范围,通常是在pKa值为中点的两个pH单位范围内,即:缓冲剂的有效pH范围=pKa±1,所以,当缓冲溶液的pH等于该缓冲剂的pKa时,缓冲能力最大。若要设计一个新的缓冲体系时,只需按所要求的pH值查出pKa值等于此pH值的各种缓冲剂并从中进行挑选即可。
1960年,,适合生命科学研究使用的缓冲体系应具有以下特性:
① pKa值在6~8之间; ②在水中的溶解度高;③不易穿透生物膜;④盐效应小;⑤离子浓度、溶液组成和温度对解离的影响小;⑥不与金属离子生成复合物或沉淀; ⑦该缓冲剂化学稳定;⑧紫外和可见光波长范围内光吸收小;⑨易制得高纯度的盐。
按照这些要求可以设计和选择最为合适的缓冲剂来配制所需的缓冲溶液。
生物化学常用缓冲液
⑴磷酸盐缓冲液
磷酸盐是生物化学