缓冲容量与缓冲溶液

定义：使1L或1ml缓冲溶液的pH值改变一个单位所需加入一元强酸或一元强碱的物质的量（mol或mmol），称为该缓冲溶液的缓冲容量。ΔpHΔb式中△b为单位体积缓冲溶液的pH值改变△pH个单位时所加一元强酸或一元强碱的物质的量。缓冲容量均为正值。通常缓冲容量的单位为mol·L-1·pH-1。例2-6试求例2-4中加强酸（HCl）或强碱（NaOH）时该缓冲溶液的缓冲容量。1L0.005molΔb例2-4的计算结果是：△pH=0.06代入（2·10）式，得11pHLmol0.0830.005/0.06β解：（1）加HCl时的缓冲容量：在1L缓冲溶液中加入0.005mol的HCl，则ΔpHΔb1L0.005molΔb例2-4的计算结果是：△pH=0.07代入（2·10）式，得11pHLmol0.0710.005/0.07β（2）加NaOH时的缓冲容量：在1L缓冲溶液中加入0.005molNaOH，则：（二）影响缓冲容量的主要因素1.缓冲溶液总浓度当缓冲比一定时，缓冲溶液的总浓度愈大，缓冲能力就愈大。在一定范围内稀释时，缓冲容量也减小。2.缓冲比当缓冲溶液的总浓度一定时，若[共轭碱]／[共轭酸]=1，则缓冲容量最大。此时，溶液的pH=pKa。缓冲比离1愈远，pH值偏离pKa愈远，缓冲容量愈小。实验和计算表明，当缓冲比在1／10和10／1之间时，即溶液的pH值在pKa-1和pKa+1之间时，溶液具有较大的缓冲能力。在化学上把具有缓冲作用的pH值范围，即pH=pKa±1称为缓冲溶液的缓冲范围。表2-2列出的是几种常用缓冲溶液中共轭酸的pKa及缓冲系的缓冲范围。缓冲溶液的组成作为弱酸的pKa缓冲范围HCl-KClH2C8H4O4(邻苯二甲酸)-NaOHKHC8H4O4(邻-苯二甲酸氢钾)-NaOHHAc—NaAcKH2PO4—Na2HPO4H3BO3—NaOHNaHCO3—Na2CO3强电解质2.9(pKa1)5.4(pKa2)4.757.2(pKa2)9.210.3(pKa2)1.2～2.22.2～4.04.0～5.83.7～5.65.8～8.08.0～10.09.2～11.0二、缓冲溶液的配制配制一定pH值的缓冲溶液，应按下列原则和步骤进行：（1）选择适当的缓冲对，使所选缓冲对中共轭酸的pKa与欲配制的缓冲溶液的pH值尽可能相等或接近，偏离的数值不应超过缓冲溶液的缓冲范围。例如，配制pH值为4.8的缓冲溶液，可选择HAc-NaAc缓冲对，因为HAc的pKa=4.75。又如配制pH值为5.2的缓冲溶液，应选择KHC8H4O4-KNaC8H4O4缓冲对，因为KHC8H4O4的pKa=5.4，与欲配制缓冲溶液的pH值(5.2)最接近。（2）要有一定的总浓度，一般在0.05mol·L-1～0.20mol·L-1之间较宜，其相应的β值在0.01～0.1之间。（3）为了使缓冲溶液具有较大的缓冲容量，应尽量使缓冲比接近于1。实际工作，常常使用相同浓度的共轭酸、碱溶液配制。设缓冲溶液的总体积为V总，共轭酸的体积为VHB、共轭碱的体积为VB-，混合前共轭酸、碱的浓度均为c，则：总B总HBVBVHBVcVc利用此式，只需按共轭酸碱溶液体积的比值配制缓冲溶液。HBBHBBVVlgpKapH/V/VlgpKapH总总VcVc代入（2·8）式，得代入（2.11）式，得ml10095.4pH4.75pKaBHBVV例2-7用0.10mol·L-1HAc和0.10mol·L-1NaAc溶液配制pH=4.95的缓冲溶液100ml，计算所需两溶液的体积。解：已知：[HB]=[B-]=0.10mol·L-1BBBB10058.1100lg75.495.4VVVV即取0.10mol·L-1HAc38.8ml和0.10mol·L-1NaAc61.2ml混合可得pH=4.95的缓冲液100ml。(ml)8.382.61100ml2.61HBBVV故另外，也常采用在一定量的弱酸溶液中，加入一定量的强碱，中和部分弱酸（即生成弱酸的共轭碱）的方法，必须明确两个问题：（1）弱酸的物质的量（mol或mmol）必须多于强碱的物质的量（mol或mmol）。（2）反应时被中和弱酸的物质的量等于强碱的物质的量，也等于生成的共轭碱的物质的量，这样剩余的弱酸与生成的共轭碱组成缓冲对。例2-8现欲配制pH=5.0的缓冲溶液，试计算在50ml0.10mol·L-1HAc溶液中加入0.10mol·L-1的NaOH溶液多少毫升？解：设需加入的NaOH溶液为xml，则加入NaOH的物质的量为0.10x(mmol)，生成的NaAc的物质的量也是0.10x(mmol)，那么，全部中和NaOH后剩余的HAc的物质的量为(0.10×50－0.10x)(mmol)。ml00.325078.150lg25.010.05010.010.0lg75.400.5xxxxxxx已知：pKa=4.75pH=5.00代入（2·9）式，得所以，在50ml0.10mol·L-1HAc溶液中加入32.00ml0.10mol·L-1NaOH溶液，即可得到pH=5.00的缓冲溶液。应该指出，用缓冲方程式计算得到pH值与实验测得的pH值是稍有差异的，可用pH计进行校正。配制缓冲溶液也可按照现成的配方进行配制，在医学上广泛使用的缓冲溶液的配方列于表2-3和表2-4，以便参考使用。