緩衝溶液

緩衝溶液(Buffered Solution)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

緩衝溶液(Buffered Solution)，是指當溶液中加入酸或者是鹼時，會抗拒pH值的改變，使整體溶液pH值可以維持一個相對穩定的值。這對於一些化學反應的進行相當重 要；因為許多的化學反應是受到pH值的影響，在不同的pH值環境下進行反應會得到不同的產物，所以控制pH值在一定範圍內是非常重要的。

在生物系統當中，緩衝溶液則扮演了更重要的角色；因為生物體內的天然催化劑「酵素」，其主成份為蛋白質，蛋白質會因溫度和強酸鹼的 影響結構遭受破壞，進而降低甚至喪失催化活性，所以體內需要一個進行生化反應且能夠維持固定pH值的環境。在生物體中常見的緩衝溶液莫過於血液了。人類血液的pH值大約落在7.4左右，這是細胞可以存活的pH值，即使血液的pH只偏差了0.1，也會讓細胞死亡而有生命危險。

那些溶液可以提供pH緩衝的效果呢？「弱酸搭配弱酸鹽」或「弱鹼搭配弱鹼鹽」的溶液具有緩衝的效果。弱酸鹼可以具有緩衝的效果是因為其弱酸鹼的共軛酸鹼對(conjugate acid/base pair)之間存在的酸鹼平衡。例如：弱酸HA在水中之解離平衡式為

HA⇌H⁺+A^–

由於反應平衡的緣故，當三者任何一個濃度受到了影響，其他兩者的濃度都會互相透過平衡調整，以達到新的平衡。當我們在弱酸溶液中加入少量鹼的時候，此時[H⁺]的濃度明顯減少，反應趨向於往右邊進行，[H⁺]與[A^–]上升，而[HA]下降。只要溶液中還有未解離的HA存在，即[HA]≠0，被加入的鹼中和掉的H⁺就能經由HA的解離得到補充，所以溶液內的[H⁺]不會出現明顯劇烈變化，溶液的pH值維持在狹窄的範圍內，達到緩衝pH的效果。

此外，多質子酸/鹼系統(Polyprotic acid/base)也是良好且常見的緩衝溶液系統，而且相較於單質子酸，其可以配合的pH值範圍較廣、選擇性較多。這是因為多質子酸可以在不同的pH值 範圍內，進行多個平衡反應。血液即是透過碳酸/碳酸氫根之共軛酸鹼對，維持其pH值的恆定。

磷酸為三質子酸，其解離方程式與酸解離常數(Acid dissociation constant, Ka)如下：

根據上式，磷酸鹽類各在酸性、中性、還是鹼性皆存在酸鹼平衡，如此一來，選用適當的磷酸鹽類可以配製出不同磷酸系統的緩衝溶液，適用於酸性、中性、或鹼性 環境。一個典型的例子是在生化實驗室常見的磷酸緩衝生理食鹽水(Phosphate buffered saline，PBS)，利用磷酸氫鈉(Na₂HPO₄‧2H₂O)與磷酸二氫鉀(KH₂PO₄)之共軛酸鹼對得到pH = 7.4的緩衝溶液，此生理食鹽水中還加入了氯化鉀、氯化鈉，這些鹽類雖無緩衝效果，用於調整溶液的離子濃度，使溶液的滲透壓等於細胞的滲透壓。

資料來源
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; p. 279-293.