缓冲溶液

高中化学根据电荷平衡计算的弱酸及其共轭碱的精确 pH，并与纯水进行比较

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关于此实验

血液、海水和许多药物都必须使 pH 几乎保持不变，即使加入了酸或碱也是如此。缓冲液能做到这一点：它是弱酸及其共轭碱的混合物。加入少量强酸时，碱会将其消耗；加入少量强碱时，弱酸会将其中和。在缓冲液和纯水中分别逐滴加入酸和碱，观察指示剂的颜色，了解缓冲液何时能有效发挥作用，以及何时会耗尽。

学习目标

将一种在加入少量酸或碱时能抵抗 pH 变化的溶液定义为缓冲液
解释弱酸及其共轭碱如何去除加入的 H⁺ 和 OH⁻ 离子
使用亨德森-哈塞尔巴尔赫方程计算缓冲液的 pH
说明浓度和碱酸比如何影响缓冲容量
使用 pKa 为目标 pH 选择一组合适的缓冲液

使用方法

1每次加入 1 mL 酸，共加入五次。比较缓冲液和水中的 pH 变化。
2再次按下“开始”，然后加入 10 mL 碱。两者的 pH 分别变化了多少？
3继续加入酸，直到缓冲液的 pH 快速下降。总共加入了多少酸？将其与缓冲液中的碱的物质的量进行比较。
4将缓冲液浓度设为 0.02 mol/L 后重新开始，然后设为 0.4 mol/L。哪一种更能抵抗变化？
5将碱酸比改为 1 : 4 和 4 : 1。使用 pH = pKa + log([碱]/[酸]) 检查初始 pH。
6如果要像血液一样将溶液维持在接近 pH 7.4，应该使用哪一组缓冲液？

模型

HA ⇌ H^{+} + A^{-}

处于平衡状态的弱酸及其共轭碱

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

缓冲液如何消除加入的酸和碱

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

亨德森-哈塞尔巴尔赫方程

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

用于计算精确 pH 的电荷平衡（乙酸盐缓冲液）

假设

每个烧杯中起始时都有100 mL、温度为25 °C的液体。加入的酸是0.1 mol/L HCl，碱是0.1 mol/L NaOH；随着加入，液体体积会增加。
计算使用浓度而非活度，并且每对缓冲组分只考虑一个酸解离步骤（pKa为4.76、7.21和9.25）。
通过精确求解电荷平衡来计算pH，因此缓冲剂耗尽后仍能保持准确。另显示亨德森-哈塞尔巴尔赫方程计算的数值以供比较。
水的初始pH为7.00；忽略空气中的二氧化碳溶解到水中的影响。

在课堂上试试这个实验

Q1为什么加入1 mL的0.1 M HCl会使水的pH变化约4个单位，而缓冲液的pH只变化约0.01？
Q2一种缓冲液含有0.05 mol/L乙酸和0.05 mol/L乙酸钠。它的pH是多少？
Q3为什么酸和碱的浓度相等时，缓冲液的缓冲效果最好？
Q4请解释为什么用水稀释缓冲液几乎不会改变其pH，却会降低其缓冲容量。
Q5碳酸和碳酸氢根离子组成的缓冲对能使血液的 pH 保持在 7.4 左右。剧烈运动时，如果没有这个缓冲对，血液的 pH 会怎样变化？

常见问题

缓冲液和中性溶液是一回事吗？

不是。只要接近弱酸的 pKa，缓冲液就可以维持各种 pH。乙酸根缓冲液的 pH 接近 4.8，氨缓冲液的 pH 接近 9.3。缓冲液的特点是 pH 变化很小，而不是 pH 值是多少。

缓冲容量是什么？

它指缓冲液在 pH 发生明显变化之前能够吸收多少强酸或强碱。当酸和碱的浓度相等时，缓冲容量最大；总浓度越高，缓冲容量也越大。

缓冲液耗尽后，为什么无法再用亨德森-哈塞尔巴尔赫方程进行估算？

该方程要求酸和碱同时存在。一旦其中一种完全反应，便无法计算对数，此时 pH 由过量的强酸或强碱决定。