基于工科院校講授酸堿緩沖溶液知識的理解

鄭利梅 展海軍 劉捷

摘 要 一般工科院校的無機(jī)及分析化學(xué)教材對緩沖溶液部分知識點(diǎn)的處理僅包括緩沖溶液的組成，pH值的計(jì)算，但是針對標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液及緩沖容量和緩沖溶液的緩沖范圍等內(nèi)容編寫太少或者根本沒有，本文根據(jù)作者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)探討在教學(xué)中對緩沖溶液教學(xué)內(nèi)容的處理。

關(guān)鍵詞 緩沖溶液 pH值計(jì)算 緩沖容量

中圖分類號：O61-33文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Based on the Views of Acid-base Properties of Buffer

Solution-The Courses Taught in Engineering Colleges

ZHENG Limei, ZHAN Haijun, LIU Jie

(School of Chemistry and Chemical Engineering, He'nan University of Technology, Zhengzhou, He'nan 450001)

Abstract Buffer solution content includes only the buffer solution composition and acid-base buffer solution pH value calculation In general colleges of engineering courses in inorganic and analytical chemistry textbooks. But too little is described in the book on the acid-base standard buffer solution,buffering capacity and the scope of the buffer solution. This paper discusses the author's treatment of buffer solution contents.

Key words Buffer solution; The calculation of pH; Buffer capacity

酸堿緩沖溶液是一種能對溶液的酸度起穩(wěn)定作用的溶液，它在一定的程度和范圍內(nèi)可以減小和消除因加入少量的酸或堿，或者溶液中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了少量酸或堿，或者稍加稀釋對溶液酸度所產(chǎn)生的影響。酸堿緩沖溶液在化學(xué)、生物化學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)中有十分重要的作用，它可以用來控制溶液的酸度使化學(xué)（生化）反應(yīng)向特定方向進(jìn)行，也可以在測量溶液pH值時(shí)作參照標(biāo)準(zhǔn)使用（稱為標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液）。

一般工科院校教材在編寫酸堿緩沖溶液這部分內(nèi)容時(shí)，對緩沖溶液的組成及一般緩沖溶液pH值的計(jì)算都有詳細(xì)的介紹，但是對標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液及緩沖容量和緩沖范圍部分的寫得甚少或者沒有，作者認(rèn)為這部分內(nèi)容在處理化學(xué)、生物化學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)等方面問題時(shí)具有十分重要的作用，在編寫教材時(shí)應(yīng)該盡可能詳盡，具體教學(xué)過程結(jié)合各個(gè)學(xué)科的實(shí)際情況進(jìn)行刪減，對工科學(xué)生因?qū)W時(shí)有限，一般不要求推導(dǎo)公式，只要求記結(jié)論，但是學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中應(yīng)該知道結(jié)論是從哪里來的，不但知其然還應(yīng)該知其所以然。本文僅就標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液及緩沖容量和緩沖范圍等內(nèi)容在講授過程談?wù)勛约旱奶幚矸椒ā?/p>

1 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液（standard buffer）

標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液是用來定位pH計(jì)用的，其pH值是在較嚴(yán)格的條件下（濃度、溫度一定），經(jīng)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測得H+的活度，如欲通過有關(guān)公式進(jìn)行理論計(jì)算，必須考慮溶液中離子強(qiáng)度的影響，否則理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值不相符。以例題形式來進(jìn)行說明：

例1考慮離子強(qiáng)度的影響，計(jì)算0.025mol/L KH2PO4－0.025mol/L Na2HPO4 緩沖溶液的pH值，已知H3PO4的pKa2 = 7.20。

解：若不考慮離子強(qiáng)度的影響，按通常方法計(jì)算，則

計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相差頗大，產(chǎn)生偏差的原因是由于實(shí)測的是H+的活度而不是濃度，因此計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮離子強(qiáng)度的影響。該溶液的離子強(qiáng)度為

由附錄表查得

，故

計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值一致。下表1列出了常用的幾種標(biāo)準(zhǔn)緩沖液，它們的pH值經(jīng)過準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)測得的，目前已被國際上規(guī)定作為測定溶液pH值時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)參考溶液。

表1 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液

2 緩沖容量和緩沖范圍

緩沖溶液的緩沖作用都是有限度的，如（下轉(zhuǎn)第137頁）（上接第129頁）果加入的酸（堿）的量太多，或是稀釋的倍數(shù)太大，緩沖溶液的緩沖能力將會(huì)消失，緩沖溶液的緩沖能力大小常用緩沖容量來衡量，以 表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

== -（1）

其物理意義是使1L溶液溶液的pH增加dpH單位時(shí)所需加入強(qiáng)堿的量為dCb(mol)；或者使1L溶液溶液的pH降低dpH單位時(shí)所需加入強(qiáng)酸的量為dCa(mol)。緩沖容量 具有加和性，以HA－A- 緩沖體系的水溶液為例，上式 為H+、OH- 及HA(A-)三者緩沖指數(shù)、、的加和，即

==++=++

對上式進(jìn)行推導(dǎo)后得：

= 2.303( + ) +（2）

式（2）中的C為HA－A-的總濃度。當(dāng)緩沖溶液是由強(qiáng)酸控制其pH值時(shí)，式（2）可簡化為 ≈ 2.303；當(dāng)緩沖溶液由強(qiáng)堿溶液控制pH時(shí) ≈ 2.303；如果緩沖溶液是由HA－A-組成，且緩沖組份濃度較大，溶液的pH大約在（pKa?）范圍內(nèi)，可以認(rèn)為

（3）

由式（3）可清楚的看出，緩沖容量 與緩沖組份比總濃度的關(guān)系，且可以很方便的計(jì)算出[A-]/[HA]比值不同時(shí)相應(yīng)的 值。

結(jié)論：（1）對于一個(gè)給定的緩沖體系，緩沖容量的大小與緩沖物質(zhì)總濃度C有關(guān)，C越大，緩沖容量 越大，緩沖溶液的緩沖能力越強(qiáng)。（2）緩沖容量也與緩沖對的比值有關(guān)，總濃度C一定時(shí)，當(dāng)[H+]=Ka，或者[HA]=[A-]時(shí)，緩沖容量有最大值，此時(shí) max = 0.575c，離1愈遠(yuǎn)，緩沖容量愈小，甚至失去緩沖作用。因此任何緩沖溶液的緩沖作用都有一個(gè)有效的pH范圍。一般而言，緩沖對比值在10 ~ 1/10之間時(shí)具有可使用價(jià)值的緩沖能力，此濃度比范圍所對應(yīng)的pH范圍是：pH=pKa ?1 稱為緩沖溶液的有效緩沖范圍。

此部分內(nèi)容在化學(xué)、生物化學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)等方面的具體應(yīng)用中非常廣泛，也是必須掌握的知識，但是工科院校的教材在編寫此部分內(nèi)容時(shí)一般略寫或者沒有，在講授時(shí)為了讓學(xué)生了解此部分內(nèi)容就需要補(bǔ)充大量的知識，這樣一來工科院校本來有限的學(xué)時(shí)在教學(xué)過程中就顯得更緊張，為了處理好學(xué)時(shí)有限和講授內(nèi)容多之間的沖突，針對工科院校教材，筆者在以上探討了自己的體會(huì)，希望老師在編寫此部分內(nèi)容時(shí)應(yīng)該盡可能用詳細(xì)而簡練的知識來表達(dá)，在講授過程中根據(jù)工科學(xué)生的特點(diǎn)處理教材，公式推導(dǎo)上不必花費(fèi)大量篇幅，對此也不做要求，重點(diǎn)是結(jié)論要記住，且知道是怎么得來的，會(huì)應(yīng)用這些知識，那么我們的教學(xué)目的也就達(dá)到了。

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