医用化学/缓冲溶液与缓冲作用原理

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(一)缓冲作用与缓冲溶液

纯水在25℃时PH值为7.0,但只要与空气接触一段时间,因为吸收二氧化碳而使PH值降到5.5左右。1滴浓盐酸(约12.4mol.L-1)加入1升纯水中,可使[H+]增加5000倍左右(由1.0×10-7增至5×10-4mol.L-1),若将1滴氢氧化钠溶液(12.4mol.L-1)加到1升纯水中,PH变化也有3个单位。可见纯水的PH值因加入少量的强酸或强碱而发生很大变化。然而,1滴浓盐酸加入到1升HOAc-NaOAc混合溶液或NaH2PO4-Na2HPO4混合溶液中,[H+]的增加不到百分(从1.00×10-7增至1.01×10-7mol.L-1),PH值没有明显变化.这种能对抗外来少量强酸/强碱或稍加稀释不引起溶液PH值发生明显变化的作用叫做缓冲作用;具有缓冲作用的溶液,叫做缓冲溶液。

(二)缓冲溶液的组成

缓冲溶液由足够浓度的共轭酸碱对组成。其中,能对抗外来强碱的称为共轭酸,能对抗外来强酸的称为共轭碱,这一对共轭酸碱通常称为缓冲对、缓冲剂或缓冲系,常见的缓冲对主要有三种类型。

1.弱酸及其对应的盐 例如,HOAc-NaOAc(实际上是OAc-);H2CO3-NaHCO3;H2C8H4O4-KHC8H4O4(邻苯二甲酸-邻苯二甲酸氢钾);H3BO3-Na2B4O7(四硼酸钠水解后产生H2BO-3)。

2.多元弱酸的酸式盐及其对应的次级盐,例如,NaHCO3-Na2CO3;NaH2PO4-Na2HPO4;NaH2C5HO7(柠檬酸二氢钠)-Na2HC6H5O7;KHC8H4O4-K2C8H4O4。

3.弱碱及其对应的盐 例如NH3-NH+4CL-;RNH2-RNH+3A-(伯胺及其盐);Tris-TrisH+A-(三羟甲基烷及其盐)。

(三)缓冲溶液的作用原理

现以HOAc-NaOAc缓冲溶液为例,说明缓冲溶液之所以能抵抗少量强酸或强碱使PH稳定的原理。醋酸是弱酸,在溶液中的离解度很小,溶液中主要以HOAc分子形式存在,OAc-的浓度很低。醋酸钠强电解质,在溶液中全部离解成Na+和OAc-,由于同离子效应,加入NaOAc后使HOAc离解平衡向左移动,使HOAc的离解度减小,[HOAc]增大。所以,在HOAc-NaOAc混合溶液中,存在着大量的HOAc和OAc-。其中HOAc主要来自共轭酸HOAc,OAc-主要来自NaOAc。这个溶液有一定的[H+],即有一定的PH值。

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在HOAc-NaOAc缓冲溶液中,存在着如下的化学平衡:

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在缓冲溶液中加入少量强酸(如HCL),则增加了溶液的[H+]。假设不发生其他反应,溶液的PH值应该减小。但是由于[H+]增加,抗酸成分即共轭碱OAc-与增加的H+结合成HOAc,破坏了HOAc原有的离解平衡,使平衡左移即向生成共轭碱HOAc分子的方向移动,直至建立新的平衡。因为加入H+较少,溶液中OAc-浓度较大,所以加入的H+绝大部分转变成弱酸HOAc,因此溶液的PH值不发生明显的降低。

在缓冲溶液中加入少量强碱(如NaOH),则增加了溶液中OH-的浓度。假设不发生其他反应,溶液的PH值应该增大。但由于溶液中的H+立即加入的OH-结合成更难离解的H2O,这就破坏了HOAc原有的离解平衡,促使HOAc的离解平衡向右移动,即不断向生成H+和OAc-的方向移动 ,直至加入的OH-绝大部分转变成H2O,建立新的平衡为止。因为加入的OH-少,溶液中抗碱成分即共轭酸HOAc的浓度较大,因此溶液的PH值不发生明显升高。

在溶液稍加稀释时,其中[H+]虽然降低了,但[OAc-]同时降低了,同离子效应减弱,促使HOAc的离解度增加,所产生的H+可维持溶液的PH值不发生明显的变化。所以,溶液具有抗酸、抗碱和抗稀释作用。

多元酸的酸式盐及其对应的次级盐的作用原理与前面讨论的相似。例如,在NaH2PO4-Na2HPO4溶液中存在着离解平衡:

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HPO2-4是抗酸成分,通过平衡移能对抗外加酸的影响。H2PO2-4是抗碱成分,通过平衡右移能对抗外加碱的影响。

弱碱及其对应盐的缓冲作用原理,例如,NH3-NH4CL(即NH3-NH+4)溶液中,NH3能对抗外加酸的影响是抗酸成分,NH+4能对抗外加碱的影响是抗碱成分。前者通过下述平衡向右移动而抗酸,后者通过平衡向左移动而抗碱,从而使溶液的PH值稳定。

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32 缓冲溶液 | 缓冲溶液PH的计算 32
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