緩衝溶液

高中化學根據電荷平衡計算的弱酸及其共軛鹼的精確 pH，並與純水比較

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關於此實驗

血液、海水和許多藥物都必須讓 pH 幾乎維持不變，即使加入了酸或鹼也是如此。緩衝液能做到這一點：它是弱酸及其共軛鹼的混合物。加入少量強酸時，鹼會將其消耗；加入少量強鹼時，弱酸會將其中和。在緩衝液和純水中分別逐滴加入酸和鹼，觀察指示劑的顏色，了解緩衝液何時能有效發揮作用，以及何時會耗盡。

學習目標

將一種在加入少量酸或鹼時能抵抗 pH 變化的溶液定義為緩衝液
說明弱酸及其共軛鹼如何移除加入的 H⁺ 和 OH⁻ 離子
使用亨德森－哈塞爾巴爾赫方程式計算緩衝液的 pH
說明濃度和鹼酸比如何影響緩衝容量
使用 pKa 為目標 pH 選擇一組合適的緩衝液

使用方法

1每次加入 1 mL 酸，共加入五次。比較緩衝液和水中的 pH 變化。
2再次按下「開始」，然後加入 10 mL 鹼。兩者的 pH 分別變化了多少？
3繼續加入酸，直到緩衝液的 pH 快速下降。總共加入了多少酸？將其與緩衝液中的鹼的莫耳數進行比較。
4將緩衝液濃度設為 0.02 mol/L 後重新開始，然後設為 0.4 mol/L。哪一種更能抵抗變化？
5將鹼酸比改為 1 : 4 和 4 : 1。使用 pH = pKa + log([鹼]/[酸]) 檢查初始 pH。
6如果要像血液一樣將溶液維持在接近 pH 7.4，應該使用哪一組緩衝液？

模型

HA ⇌ H^{+} + A^{-}

處於平衡狀態的弱酸及其共軛鹼

A^{-} + H^{+} \to HA, HA + OH^{-} \to A^{-} + H_{2} O

緩衝液如何消除加入的酸和鹼

pH = p K_{a} + lo g \frac{[ A ^{-} ]}{[ HA ]}

亨德森－哈塞爾巴爾赫方程式

[H^{+}] + [Na^{+}] = [OH^{-}] + [A^{-}] + [Cl^{-}]

用於計算精確 pH 的電荷平衡（乙酸鹽緩衝液）

假設

每個燒杯中起始時都有100 mL、溫度為25 °C的液體。加入的酸是0.1 mol/L HCl，鹼是0.1 mol/L NaOH；隨著加入，液體體積會增加。
計算使用濃度而非活度，並且每對緩衝組分只考慮一個酸解離步驟（pKa為4.76、7.21和9.25）。
透過精確求解電荷平衡來計算pH，因此緩衝劑耗盡後仍能保持準確。另顯示亨德森-哈塞爾巴爾赫方程計算的數值以供比較。
水的初始pH為7.00；忽略空氣中的二氧化碳溶解到水中的影響。

在課堂上試試這個實驗

Q1為什麼加入1 mL的0.1 M HCl會使水的pH變化約4個單位，而緩衝液的pH只變化約0.01？
Q2一種緩衝液含有0.05 mol/L乙酸和0.05 mol/L乙酸鈉。它的pH是多少？
Q3為什麼酸和鹼的濃度相等時，緩衝液的緩衝效果最好？
Q4請說明為什麼用水稀釋緩衝液幾乎不會改變其pH，卻會降低其緩衝容量。
Q5碳酸和碳酸氫根離子組成的緩衝對能使血液的 pH 維持在 7.4 左右。劇烈運動時，如果沒有這個緩衝對，血液的 pH 會如何變化？

常見問題

緩衝液和中性溶液是一回事嗎？

不是。只要接近弱酸的 pKa，緩衝液就可以維持各種 pH。乙酸根緩衝液的 pH 接近 4.8，氨緩衝液的 pH 接近 9.3。緩衝液的特點是 pH 變化很小，而不是 pH 值是多少。

緩衝容量是什麼？

它指緩衝液在 pH 發生明顯變化之前能吸收多少強酸或強鹼。當酸和鹼的濃度相等時，緩衝容量最大；總濃度越高，緩衝容量也越大。

緩衝液耗盡後，為什麼無法再用亨德森-哈塞爾巴爾赫方程進行估算？

該方程要求酸和鹼同時存在。一旦其中一種完全反應，便無法計算對數，此時 pH 由過量的強酸或強鹼決定。