緩衝溶液

Posted on 2011/07/27 in 化學, 原子、分子、離子, 物質組成 with 尚無留言 84,478 views

緩衝溶液 (Buffer solutions)
臺北市立第一女子高級中學高中三年級蔡宛庭/臺北市立第一女子高級中學化學科詹莉芬老師修改/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

定義

緩衝溶液是指由弱酸及其共軛鹼（或弱鹼及其共軛酸）所組成的緩衝對配製的，能夠在加入少量的酸或鹼時，可以減緩pH改變的溶液。即一緩衝溶液pH值＝5，表示該溶液可控制溶液內的其他反應進行時，即使產生少量的強酸或強鹼或水而稀釋濃度，緩衝溶液都可維持溶液的pH值僅有小幅改變。

實驗

以強鹼溶液滴定弱酸溶液，加入強鹼的體積與酸鹼中和後溶液的pH值（可由pH meter測得）關係圖如下，經分析溶液中存在的HA、A－共軛酸鹼對可知，當溶液中存在[HA]、[A－]兩者濃度約略相等時，溶液的pH值變化量較為平緩，此混合溶液即相當於緩衝溶液。

圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Buffer_solution

緩衝溶液的pH值

緩衝溶液的pH可經由同離子效應及亨德森-哈塞爾巴爾赫方程來計算。以弱酸HA為例，HA的解離常數被定義為：

取對數後可得到：

式中HA指緩衝對組分中的弱酸，A¯指其共軛鹼。顯然由此式可知，當組分中酸性物質與鹼性物質濃度相等時，溶液的pH＝pKa。所以一般配製緩衝溶液時常選取pKa與溶液要控制的pH值相近的弱酸，pH值為pKa 1的範圍，譬如醋酸的Ka約10^－5，緩衝溶液中若[CH₃COOH]＝[CH₃COO^－]，由（2）式可知該緩衝溶液pH值約為5。

製備方法

常見幾種配製緩衝的方法：
（一）弱酸或弱鹼的共軛酸鹼對以適當比例混合，譬如
▲等濃度的醋酸與醋酸納可配成酸性環境的緩衝溶液，pH＝pKa＝4.73。
▲等濃度的氨水與氯化銨可配成鹼性的緩衝溶液，pH＝9.27，pOH＝pKb＝4.73。。
（二）弱鹼加限量強酸，譬如：氨水與限量的鹽酸混合，經酸鹼中和後，溶液中存在氨水及銨根離子之共軛酸鹼對
（三）弱酸加限量強鹼，譬如：醋酸加限量氫氧化鈉，經酸鹼中和後，溶液中存在醋酸及醋酸根離子之共軛酸鹼對。

原理（一）

緩衝溶液能減緩pH改變是因為其中所含有的緩衝物質所形成的緩衝對（共軛酸鹼對，以HA、A^－表示），存在平衡式：
HA(aq) →H^＋(aq) ＋ A^－(aq)
▲當溶液中加入少量酸性物質時，根據勒沙特列原理，少量酸可與緩衝對中的鹼性分子（A^－）進行酸鹼中和，使平衡向左，多加入的酸性物質反應消耗。
▲當溶液中加入少量鹼性物質時，根據勒沙特列原理，少量鹼可與緩衝對中的酸性分子（HA）進行酸鹼中和，使平衡向右，使多加入的鹼性物質反應消耗。

原理（二）

以醋酸為例，已知醋酸的Ka＝1.8 ×10^－5，1公升的緩衝溶液中[CH₃COOH]＝[CH₃COO^－]＝0.5 M，則根據（2）式可得溶液pH＝4.74。
▲若加入0.01莫耳的NaOH，與CH₃COOH反應後，緩衝溶液中存在[CH₃COOH]＝0.49 M，[CH₃COO^－]＝0.51 M，則根據（2）式可得溶液pH＝4.76。
▲若加入0.01莫耳的HCl，與CH₃COO^－反應後，緩衝溶液中存在[CH₃COOH]＝0.51 M，[CH3COO^－]＝0.49 M，則根據（2）式可得溶液pH＝4.73。
由兩例都可知，同離子效應的計算，共軛酸鹼對的存在可形成緩衝溶液。

應用

▲在許多化學反應中，緩衝溶液被用於使溶液的pH值保持恆定。緩衝溶液對生命的產生與進化具有重要意義，因為多數生物都只能在一定pH範圍內生長，例如血液就是一種緩衝溶液。
▲緩衝溶液有許多用途，例如人體血液中含有磷酸二氫根-磷酸氫根、碳酸-碳酸氫鈉等多對緩衝對，維持血液的pH在7.35至7.45之間，以維持酶的活性。
在工業上，緩衝溶液常被用於調節染料的pH。緩衝溶液還可以被用於pH計的校正。

常見緩衝溶液系統