缓冲溶液——定义、类型、制备、用途

当将几滴强酸或强碱应用于水中时，氢离子浓度会完全改变。在许多工业、化学和生物操作中，需要有一种溶液，当添加少量强酸和强碱时，溶液的 pH 值不会发生显着变化。许多液体，例如血液，都有特定的 pH 值，这些值的变化表明身体出现故障。在广泛的化学和生物活动中，控制 pH 值也是至关重要的。对于许多医疗和化妆品产品的制造和使用，需要特定的 pH 值。缓冲溶液就是这些溶液的名称。

什么是缓冲溶液？

A buffer solution is a solution that resists changes in hydrogen ion concentration when a modest amount of acid or base is added. In other words, such solutions are known to have reverse acidity and reverse basicity and to keep a reasonably steady pH value. A good example of a natural buffer solution is human blood. Despite eating a wide array of meals, our blood maintains a pH of roughly 7.35.

缓冲溶液是一种水基溶剂型溶液，由弱酸及其共轭碱或弱碱及其共轭酸组成。它们能够抵抗因稀释或添加相对少量的酸或碱而引起的 pH 值变化。当加入少量强酸或强碱时，缓冲溶液的pH值变化很小。因此，它们习惯于保持稳定的 pH 值。当给予微量强酸或强碱时，其pH值变化很小，因此用于保持溶液的pH值稳定。

缓冲溶液是一种只需稍微稀释或添加少量酸或碱即可保持其氢离子浓度 (pH) 的溶液。发酵、食品保鲜、给药、电镀、印刷、酶活性和血液携氧能力都需要缓冲溶液中特定的氢离子浓度 (pH)。缓冲溶液由弱酸及其共轭碱或弱碱及其可维持pH值的共轭酸组成。

缓冲溶液的种类

酸性和碱性缓冲液是广泛分类的两种缓冲溶液。这些将在下面更深入地讨论。

• 酸性缓冲液——酸性缓冲溶液由等摩尔量的弱酸及其盐以及强碱组成。这些溶液用于保持环境酸性。酸缓冲剂是通过将弱酸及其盐与强碱混合以产生酸性 pH 值制成的。含有等量乙酸和乙酸钠的水溶液的pH值为4.74。此外，这些液体的 pH 值小于 7。这些溶液由弱酸及其盐组成。
• 碱性缓冲液——弱碱及其盐在碱性缓冲溶液中与强酸等摩尔。这些缓冲溶液用于保持基本条件。为了生成具有碱性 pH 值的碱性缓冲液，将弱碱及其盐与强酸结合。等份氢氧化铵和氯化铵的水溶液的 pH 值为 9.25。这些溶液的 pH 值大于 7。它们含有弱碱和弱碱盐。

缓冲溶液的制备：如果已知酸（pKa）和碱（pKb）的解离常数，则可以通过控制盐酸或盐碱的比例来制备缓冲溶液。弱碱及其共轭酸，或弱酸及其各自的共轭碱，用于制备这些溶液。 Handerson-Hasselbalch 方程和酸性缓冲液和碱性缓冲液的制备。

Henderson-Hasselbalch 方程

Preparation of Acid Buffer

In an acid buffer solution with a strong base (KOH), consider a weak acid (HA) and its salt (KA). The weak acid (HA) ionises, and the equilibrium is as follows:

H₂O + HA ⇋ H⁺ + A^–

Acid dissociation constant is,

K_a = ([H⁺] [A^–])/[HA]

The RHS and LHS take negative logs:

-log K_a = -log [H⁺] – log ([A^–]/[HA])

pK_a = pH – log ([salt]/[acid])

pH = pK_a + log ([salt]/[acid])

pH of acid buffer solution =  pK_a + ([salt]/[acid])

Henderson-Hasselbalch 方程有时也称为 Henderson 方程。

Preparation of Base Buffer

Consider a basic buffer solution with strong acid, having salt (BA) and a weak base (B).

As a result, the basic buffer solution will be,

pOH = pKb +  log ([salt]/[base])

pOH of a basic buffer solution = pK_b +  log ([salt]/[acid])

pH of a basic buffer solution = pK_a – log ([salt]/[acid])

维持pH值

考虑含有乙酸钠和乙酸的缓冲溶液的情况，以更好地了解缓冲溶液如何保持稳定的 pH 值。值得注意的是，在这个例子中乙酸钠几乎完全电离，但乙酸只是微弱电离。以下是平衡反应：

CH ₃ COOH ⇌ H ⁺ + CH ₃ COO ^–

CH ₃ COONa ⇌ Na ⁺ + CH ₃ COO ^–

当提供强酸时，H ⁺离子与 CH ₃ COO ^-离子结合形成弱电离乙酸，导致周围环境的 pH 值变化不大。当向该缓冲溶液中加入强碱性物质时，氢氧根离子与溶液中的游离酸反应生成水分子，如下面的反应所示。

CH ₃ COOH + OH ^– ⇌ CH ₃ COO ^– + H ₂ O

结果，氢氧根离子与酸结合生成水，保持 pH 恒定。

缓冲溶液的用途

• 缓冲溶液有几个不同的名称，包括 pH 缓冲液和氢离子缓冲液。
• 许多生物体使用缓冲溶液来维持酶活性的最佳 pH 值。
• 使用碳酸氢盐和碳酸缓冲系统来管理动物血液的 pH 值是用于调节 pH 值的缓冲液的一个例子。
• 如果某些缓冲液不存在，酶的函数可能会受到阻碍，功能可能会丢失，或者酶甚至可能会变性。酶的催化函数可以通过这种变性过程完全失活。

示例问题

问题 1：Henderson-Hasselbalch 方程的局限性是什么？

回答：

The Henderson – Hasselbalch equation isn’t applicable to strong acids and strong bases.

问题2：什么是缓冲能力？

回答：

The buffer capacity is the number of millimoles of acid or base that must be given to a liter of buffer solution to adjust the pH by one unit.

问题3：什么是缓冲动作？

回答：

The ability of a buffer solution to withstand changes in pH when a little amount of acid or base is added is referred to as buffer action.

问题 4：计算每升含有 0.2 摩尔 NH ₄ Cl 和 0.1 摩尔 NH ₄ OH 的缓冲溶液的 pH 值。 NH ₄ OH 的Kb 为1.85×10 ^-5 。

回答：

According to the Henderson’s Equation,

pOH = pKb +  log ([salt]/[acid])                                                                                                ……… (1)

Now pKb = -log(Kb) = -log(1.85×10^-5) = 4.733

Since the buffer solution contains 0.2 moles of NH₄Cl per litre, i.e., 0.2 moles of salt and 0.1 moles of NH₄OH per litre, i.e. 0.1 moles of base. So, on substituting all the values in equation (1), we get

pOH = 4.7333+ log ((0.2)/(0.1))

        = 4.733 + 0.301

        = 5.034

Therefore,

pH = 14 – pOH

pH = 14 – 5.034

pH = 8.966

问题 5：缓冲溶液有什么好处？

回答：

When an acidic or basic component is added, a buffer is a solution that can tolerate the pH change. It has the ability to neutralise small amounts of additional acid or base, allowing the pH of the solution to remain stable. This is critical for processes and reactions that require specific and stable pH ranges.

问题 6：Handerson-Hasselbalch 方程的意义是什么？

回答：

The Handerson-Hasselbalch equation can be used to 

• Determine the pH of the buffer made from salt and a weak acid/base mixture.
• Determine the pKa value.
• Produce a buffer solution with the required pH.