緩沖溶液教學方法探討

齊鳳元 馬勇

(渤海大學生物與食品科學學院 遼寧錦州121000)

緩沖溶液教學方法探討

齊鳳元 馬勇

(渤海大學生物與食品科學學院 遼寧錦州121000)

根據食品專業學生特點，結合飲食與人體內的酸堿平衡關系講解緩沖溶液的緩沖作用。

緩沖溶液是指能抵抗少量的酸、堿或稀釋而保持本身pH基本不變的溶液。緩沖溶液之所以在后繼課程的學習以及以后的實際工作中都有重要應用，主要是因為緩沖溶液的緩沖作用。本文根據食品專業學生的特點，結合飲食與人體內的酸堿平衡關系講解緩沖溶液的緩沖作用。

1 緩沖溶液的緩沖作用范圍

按照酸堿的質子理論，緩沖溶液中存在的質子轉移平衡為:

如果忽略水的離解［1］，緩沖溶液pH的計算公式為:

其中弱酸為抗堿成分，共軛堿為抗酸成分。緩沖溶液具有緩沖作用就是因為同時具有抗酸成分和抗堿成分，這兩種成分又稱為緩沖對，并且二者是共軛酸堿對，能滿足上述的質子轉移平衡。因此，緩沖溶液可以抵抗少量的酸、堿或稀釋而保持溶液的pH基本不變。緩沖溶液的緩沖作用能力強弱與抗酸成分及抗堿成分的濃度有關，二者濃度愈大緩沖能力愈強。對同一緩沖體系，緩沖能力的強弱與緩沖對濃度的比值有關，緩沖對的濃度比值愈接近1，緩沖能力就愈強。當緩沖對濃度比值大于10:1或小于1:10時，緩沖溶液基本沒有緩沖作用，此時溶液的pH=p Kθa± 1。pH=p Kθa±1就是緩沖溶液發生緩沖作用的有效區間，稱為緩沖溶液的緩沖作用范圍。

2 結合人體內的酸堿平衡講解緩沖作用

無論在科研還是在實際生產中，緩沖溶液都有廣泛的應用，主要為以下兩方面:一是控制溶液的酸度，二是用酸度計測定溶液的pH時，必須用標準緩沖溶液校準。根據食品專業特點，結合飲食與人體內的酸堿平衡關系講解緩沖溶液的作用，有助于提高學生的學習興趣和學習主動性。

2.1 酸堿平衡與人體健康的關系

人體內的環境需要相對穩定的酸堿平衡。體內物質的代謝反應是受各種酶控制的，而每種酶只有在一定pH范圍的體液中才具有活性，因此各種體液必須恒定在一定的pH范圍內，機體內的各種代謝反應才能正常進行［2］。如人體血液的pH在7.35～7.45之間，超過這一范圍，機體的許多功能將發生異常變化，從而引起各種疾病，因此飲食應酸堿搭配。

通常說的酸性食物并不是指具有酸味的食物，而是指含氯、硫、磷等酸性元素的總量較高或含有不能完全氧化的有機酸，經人體消化吸收后，在體內形成酸性物質，如魚、肉、蛋、糧食等;而堿性食物是指含有較多鉀、鈉、鈣、鎂等金屬元素的食物，經人體消化吸收后，在體內形成堿性物質，如水果、蔬菜、茶葉、海藻類等［3］。由于生活水平的提高，人們通過飲食攝入的酸性食物較多，這樣不僅容易使血液偏酸性，而且會增加體內堿性元素的消耗，如引起鈣消耗過多，造成缺鈣等。因此在飲食中要注意酸堿平衡。我們在教學中要求啟發學生思考這樣的問題:我們每天的飲食并沒有嚴格遵守酸堿搭配的原則，為什么沒有引起血液pH發生明顯變化?這就引出了血液中存在著緩沖物質，由于緩沖物質的作用，使血液的pH維持在正常的范圍內，進而聯系食品專業的實際情況及飲食與健康的關系來講解緩沖作用。

2.2 緩沖溶液在調節人體酸堿平衡中的作用

人體的血液之所以能恒定在一定的pH范圍內，就是因為血液中有各種緩沖物質起緩沖作用，以及肺、腎的調節作用。人血液中的緩沖物質主要有 H2CO3－HCO3－、H2PO4－－HPO、 HnP－Hn－1P－(HnP代表蛋白質)等，其中最重要的是H2CO3－HCO緩沖體系，H2CO3以溶解狀態的CO2形式存在，起抗堿作用;HCO是血漿中含量最多的抗酸成分，在一定程度上可代表血漿對體內產生的非揮發性酸的緩沖能力，稱為堿儲。在溫度37℃時，離子強度為0.16的血漿的pH計算公式為:

正常人血漿中HCO3－和CO2的濃度分別為0.024mol·L－1和0.0012mol·L－1，代入上式得血漿pH的正常值為7.40。正常血漿中H2CO3－HCO3－緩沖體系的緩沖比為20:1，已超出體外緩沖溶液有效緩沖比的范圍。但是體內的碳酸緩沖體系在起緩沖作用時，所引起抗酸成分(HCO3－)或抗堿成分(CO2)增多或減少的部分，可通過肺、腎的生理功能得到及時調節，而使20:1的緩沖比基本維持恒定。因此，血漿中碳酸緩沖體系總能保持相當強的緩沖能力，特別是抗酸能力。

血漿碳酸緩沖體系的緩沖作用與肺、腎的調節作用之間的關系可表示為:

當體內代謝產生的酸性物質進入血漿時，上式平衡向左移動，引起H2CO3量增多和HCO量減少，而增多的H2CO3通過肺加快呼吸速率以CO2的形式呼出;HCO減少的部分則由腎保留對HCO的排泄而得到補償，從而使血液中［HCO］和［CO2］的比值基本不變;當體內堿性物質進入血液時，上式平衡向右移動，引起H2CO3量的減少和HCO量的增多，這種情況下，H2CO3減少的部分，由肺控制對CO2的呼出量來補償，而HCO增多的部分則由腎加速對HCO的排泄來調節，從而使二者的比值恢復到20:1的水平，血漿pH恢復到正常水平。總之，由于血液中多種緩沖對的緩沖作用和肺、腎的調節作用，正常人血液的pH才能維持在7.35～7.45的狹小范圍內［2］。

因為生活水平的提高，在人們的飲食中魚、肉、蛋等酸性食物攝入較多，如果長期過多食用酸性食物，會使大量的酸性物質進入血液，超出血液中緩沖物質的緩沖作用以及肺和腎的調節作用限度，使血液酸性化而形成酸性體質。從分子生物學水平來考察，酸性體質易使基因表達遭到破壞，胰島素原不能正常合成或在合成之后在激活過程中遇到障礙。

講了這些原理以后，學生不但對緩沖溶液的緩沖作用有了深刻的理解和掌握，同時也認識到了飲食與健康的關系，使得一些有偏食習慣的學生改變了飲食結構，并提高了對食品專業的興趣，從而由被動接受知識變成主動學習，極大地調動了學生學習的積極性。

［1］ 天津大學無機化學教研室.面向21世紀課程教材無機化學.第3版.北京:高等教育出版社，2002

［2］ 楊秀岑.基礎化學.第4版.北京:人民衛生出版社，1998

［3］ 楊昌舉.食品營養與消費.北京:新時代出版社，1995