缓冲溶液（降低pH变动幅度的化合物）

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更新时间：2023-05-19
缓冲溶液
降低pH变动幅度的化合物
当往某些溶液中加入一定量的酸和碱时，有阻碍溶液pH变化的作用，称为缓冲作用，这样的溶液叫做缓冲溶液。弱酸及其盐的混合溶液（如HOAc与NaOAc），弱碱及其盐的混合溶液（如NH3·H2O与NH4Cl）等都是缓冲溶液。缓冲溶液是无机化学及分析化学中的重要概念，缓冲溶液的pH值在一定的范围内不因稀释或外加少量的酸或碱而发生显着的变化，缓冲溶液依据共轭酸碱对及其物质的量不同而具有不同的pH值和缓冲容量。生化实验室常用的缓冲系主要有磷酸、柠檬酸、碳酸、醋酸、巴比妥酸、Tris（三羟甲基氨基甲烷）等系统，生化实验或研究工作中要慎重地选择缓冲体系，因为有时影响实验结果的因素并不是缓冲液的pH值，而是缓冲液中的某种离子。
基本信息
中文名
缓冲溶液
外文名
buffer solution
成分
通常为弱酸和它的共轭碱
生物意义
维持生物的正常
pH
值和生理环境
作用
降低
pH
变动幅度
简介
在生化研究工作中，常常需要使用缓冲溶液来维持实验体系的酸碱度。研究工作的溶液体系pH值的变化往往直接影响到研究工作的成效。如果“提取酶”实验体系的pH值变动或大幅度变动，酶活性就会下降甚至完全丧失。所以配制缓冲溶液是一个不可或缺的关键步骤。
组成
缓冲体系由
1、弱酸和它的盐（如HAc---NaAc）
2、弱碱和它的盐（NH·HO---NHCl）
3、多元弱酸的酸式盐及其对应的次级盐（如NaHPO---NaHPO）
的水溶液组成。
配制
只要知道缓冲对的PH值，和要配制的缓冲液的pH值（及要求的缓冲液总浓度），就能按公式计算[盐]和[酸]的量。这个算法涉及对数换算，较麻烦，前人为减少后人的计算麻烦，已为我们总结出pH值与缓冲液对离子用量的关系并列出了表格。只要我们知道要配制的缓冲液的pH，经查表便可计算出所用缓冲剂的比例和用量。例如配制500nmpH5.8浓度为0.1M磷酸缓冲液。
经查表知pH5.8浓度为0.2M Na2HPO48.0毫升，而0.2M Na2HPO492.0毫升。依此可推论出配制100ml0.1M的磷酸缓冲液需要0.1M Na2HPO48.0毫升，而0.1M Na2HPO4需要92.0毫升。
计算好后，按计算结果准确称好固态化学成分，放于烧杯中，加少量蒸馏水溶解，转移入50ml容量瓶，加蒸馏水至刻度，摇匀，就能得到所需的缓冲液。
各种缓冲溶液的配制，均按表格按比例混合，某些试剂，必须标定配成准确浓度才能进行，如醋酸、氢氧化钠等。另外，所有缓冲溶剂的配制计量都能从以上的算式准确获得。
PH影响
设缓冲系统的弱酸的电离常数为Ka（平衡常数），平衡时弱酸的浓度为[酸]，弱酸盐的浓度为[盐]，则由弱酸的电离平衡式可得下式：
[H+] = Ka {[弱酸]/[共轭碱]}
pH = pKa + lg {[共轭碱]/[弱酸]}
这就是Henderson-Hasselbach 等式。
如果[弱酸] = [共轭碱]，则
pH =pKa
缓冲原理
水合氢离子的浓度取决于弱酸与其共轭碱的浓度比。当加入少量强碱时，酸被中和，导致了氢氧根离子在溶液中很少累积，从而的浓度增加，的浓度减少。可以看到，虽然加入了强碱，但是溶液里的氢氧根离子变化很少，同时，浓度较大，相对的变化小，两者比值几乎无变化，因此根据公式，水合氢离子的浓度变化很小。加入弱酸则是同样的道理。由于在 大浓度基数上的微小变化不会改变比值，也因此维持了体系内氢离子和氢氧根离子浓度的平衡。
常见组成
常用作缓冲溶液的酸类由弱酸及其共轭酸盐组合成的溶液具有缓冲作用。常见的缓冲体系有：
1、弱酸和它的盐（如HAc---NaAc）
2、弱碱和它的盐（NH3·H2O---NH4Cl）
3、多元弱酸的酸式盐及其对应的次级盐（如NaH2PO4---Na2HPO4）的水溶液组成。
PH计算
根据Henderson-Hasselbalch方程。
值得注意的是，式子中酸及其共轭碱的浓度都是平衡时的浓度，除了酸性过于强的情况下，由于同离子效应的存在，一般都可用此式计算，
根据此式可得出下列几点结论：
1.缓冲液的pH值与该酸的电离平衡常数Ka及盐和酸的浓度有关。弱酸的pKa值衡定，但酸和盐的比例不同时，就会得到不同的pH值。酸和盐浓度相等时，溶液的pH值与PKa值相同。
2.酸和盐浓度等比例增减时，溶液的pH值不变。
3.酸和盐浓度相等时，缓冲液的缓冲效率为最高，比例相差越大，缓冲效率越低，缓冲液的一般有效缓冲范围为pH=pKa±1,pOH=pKb±1。
认识作用
分析测试中，在络合滴定和分光光度法等许多反应里都要求溶液的pH值保持在一个范围内，以保证指示剂的变色和显色剂的显色等，这些条件都是通过加入一定量的缓冲溶液达到的，所以缓冲溶液是分析测试中经常需要的一种试剂。采用电位滴定法测定外加酸或碱对不同配比同一种缓冲溶液的滴定曲线，不仅有助于理解缓溶液及缓冲容量的概念而且对分析测试中正确选缓冲溶液的配制方法及用量具有指导意义。
采用电位滴定法测定缓冲溶液的滴定曲线，选择 了常见的氨水-氯化铵缓冲溶液，分别按照不同的配比得到4种缓冲溶液，实验测定了强酸、强碱对缓冲 溶液的滴定曲线，滴定结果直观清晰，对理解缓冲容 量的概念及实践中缓冲溶液的选择有积极的意义。
同时，我们人体的正常生理环境的维持离不开缓冲溶液，认识学习缓冲溶液有利于我们深入认识人体复杂化学反应的机制。缓冲溶液对维持着人体正常的血液p H范围。其中碳酸-碳酸氢钠是血浆中最主要的缓冲对，此对缓冲机制与肺的呼吸功能及肾的排泄和重吸收功能密切相关。正常人体代谢产生的二氧化碳进入血液后与水结合成碳酸，碳酸与血浆中的碳酸氢根离子—组成共轭酸碱对，所以缓冲溶液在医学检验中有着重要的意义。
相关举例
缓冲溶液
常用作缓冲溶液的酸类由弱酸及其共轭酸盐组合成的溶液具有缓冲作用。生化实验室常用的缓冲系主要有磷酸、柠檬酸、碳酸、醋酸、巴比妥酸、Tris（三羟甲基氨基甲烷）等系统，生化实验或研究工作中要慎重地选择缓冲体系，因为有时影响实验结果的因素并不是缓冲液的pH值，而是缓冲液中的某种离子。如硼酸盐、柠檬酸盐、磷酸盐和三羟甲基甲烷等缓冲剂都可能产生不需要的化学反应。
硼酸盐：硼酸盐与许多化合物形成复盐、如蔗糖。
柠檬酸盐：柠檬酸盐离子容易与钙结合，所以存在有钙离子的情况下不能使用。
磷酸盐：在有些实验，它是酶的抑止剂或甚至是一个代谢物，重金属易以磷酸盐的形式从溶液中沉淀出来。而且它在pH7.5以上时缓冲能力很小。
三羟甲基氨基甲烷：它可以和重金属一起作用，但在有些系统中也起抑制作用。其主要缺点时温度效应。这点往往被忽视，在室温pH是7.8的Tris缓冲液，4℃时是8.4，37℃时是7.4，因此，4℃配制的缓冲液在37℃进行测量时，其氢离子浓度就增加了10倍。在pH7.5以下，其缓冲能力极为不理想。
CO2缓冲液
在高中生物中，光合作用实验里，CO2缓冲液有吸收CO2的能力，控制变量。
人体血浆里最重要的缓冲体系是碳酸氢盐缓冲体系是:
H2CO3= H+ + HCO3﹣
pH= pKa + lg〔HCO3﹣〕/〔H2CO3〕
在正常血浆中，〔HCO3﹣〕︰〔CO2〕= 20︰1
pH=6.10+lg20/1=7.40
人体各组织、细胞代谢产生的CO2，主要通过血红蛋白和氧合血红蛋白的运输作用，被迅速运到肺部排出，故几乎不影响血浆的pH，当产生比CO2酸性更强的酸（如磷酸、硫酸、乙酸等）时，血液中HCO3﹣/ CO2缓冲对便发挥缓冲作用，其中HCO3-可与代谢产生或外合产生CO2和H2O。增加的CO2大部分从肺部排出或通过血浆中蛋白质缓冲对和与之作用，，使〔CO2〕降低；减少的HCO3﹣可通过肾脏进行调节而得到补充，从而使
〔HCO3﹣〕，〔CO2〕和〔HCO3﹣〕/〔CO2〕都恢复正常。当人体新陈代谢过程中产生的碱进入血液时，血液中的H3O+便立即与它结合生成水。H3O+的消耗有H2CO3的解离来补充，结果也使血液的pH 保持稳定。
常用缓冲液配制
枸橼酸-磷酸氢二钠
甲液：取枸橼酸21g或无水枸橼酸19.2g,加水使溶解成1000ml，置冰箱内保存。
乙液：取磷酸氢二钠71.63g，加水使溶解成1000ml。
取上述甲液61.45ml与乙液38.55ml，混合，摇匀，即得。
氨－氯化铵缓冲液
取氯化铵1.07g，加水使溶解成100ml，再加稀氨溶液(1→30)调节pH值至8.0，即得。
氨－氯化铵缓冲液
取氯化铵5.4g，加水20ml溶解后，加浓氨溶液35ml，再加水稀释至100ml，即得。
醋酸－醋酸钠缓冲液
取无水醋酸钠20g，加水300ml溶解后，加溴酚蓝指示液1ml及冰醋酸60～80ml，至溶液从蓝色转变为纯绿色，再加水稀释至1000ml，即得。
醋酸－醋酸钠缓冲液
取醋酸钠18g,加冰醋酸9.8ml,再加水稀释至1000ml，即得。
醋酸－醋酸钠缓冲液
取醋酸钠54.6g，加1mol/L醋酸溶液20ml溶解后，加水稀释至500ml，即得。
醋酸－醋酸铵缓冲液
取醋酸铵7.7g，加水50ml溶解后，加冰醋酸6ml与适量的水使成100ml，即得。
醋酸－醋酸铵缓冲液
取醋酸铵77g，加水约200ml使溶解，加冰醋酸57ml,再加水至1000ml，即得。
醋酸－醋酸铵缓冲液
取醋酸铵100g，加水300ml使溶解，加冰醋酸7ml,摇匀，即得。
取0.2mol/L磷酸二氢钾溶液250ml,加0.2mol/L氢氧化钠溶液118ml，用水稀释至1000ml，即得。
参考资料
[1]
大连理工大学无机化学教研室 . 无机化学 第五版 : 高等教育出版社 ，2006-5