缓冲溶液缓冲能力探究

缓冲溶液缓冲能力探究

小组成员：李时骁宁馨儿、宋珺、鲁韩旭、唐玥、余天硕

指导教师：刘晓军

摘要

缓冲溶液是一种能在加入少量酸或碱和水时大大减低pH变动的溶液。pH 缓冲系统对维持生物的正常pH值和正常生理环境起到重要作用。多数细胞仅能在很窄的pH范围内进行活动，而且需要有缓冲体系来抵抗在代谢过程中出现的pH变化。在生物体中有三种主要的pH缓冲体系，它们是蛋白质缓冲系统、重碳酸盐缓冲系统以及磷酸盐缓冲系统。每种缓冲体系所占的分量在各类细胞和器官中是不同的。因此，研究缓冲溶液的缓冲能力是十分有必要的。

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HAc 与NaAc），弱碱及其盐的混合溶液（如NH3·H2O与NH4Cl）等都是缓冲溶液。

由弱酸HA及其盐NaA所组成的缓冲溶液对酸的缓冲作用，是由于溶液中存在足够量的碱A-的缘故。当向这种溶液中加入一定量的强酸时，H 离子基本上被A-离子消耗，所以溶液的pH值几乎不变；当加入一定量强碱时，溶液中存在的弱酸HA消耗OH-离子而阻碍pH的变化。

在缓冲溶液中加入少量强酸或强碱，其溶液pH值变化不大，但若加入酸，碱的量多时，缓冲溶液就失去了它的缓冲作用。这说明它的缓冲能力是有一定限度的。

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 +log{[共轭碱]/[弱酸]}

这就是Henderson-Hasselbach 等式。

如果[弱酸] = [共轭碱]，

pH=pKa

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K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PK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PKa±1pH。

具有缓解液态介质(如水体、降水等)中酸碱度发生剧变的能力。其能力的大小可用缓冲容量的大小来衡量(后者定义为使溶液的pH值改变1个单位时所需加入的酸或碱的量)。

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。

柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液（0.1mol/L） 3.0-6.6

磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液（0.2mol/L） 5.8-8.0

磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲液（1/15 molL） 4.92-8.18

磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液（0.05mol/L） 5.8-8.0

乙酸-乙酸钠缓冲液（0.2mol/L） 3.6-5.8

碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液(0.1mol/L) 9.16-10.83

氯化钾-盐酸缓冲液（0.2mol/L） 1.0-2.2

氯化钾-氢氧化钠缓冲液（0.2mol/L）12.0-13.0

研究缓冲溶液的背景和意义

缓冲溶液在印染中的应用

1、原理

利用缓冲溶液对H+ 或OH- 的作用, 以控制溶液的pH 值, 从而使溶液的pH 值基本稳定。此原理应用于印染行业中, 可达到改进染整技术、提高产品质量、降低成本和增加效益的目的。

缓冲溶液中含两种物质, 一种是能抵消H+ 的物质; 另一种是能抵消OH- 的物质, 其混合后称缓冲溶液。缓冲溶液能使溶液pH 值在一定范围内基本不变, 这样可根据实际需要选择弱碱或弱酸盐作为酸的缓冲剂; 弱酸或弱碱盐作为碱的缓冲剂。

2、缓冲作用在印染中的应用

2. 1 染色

在织物染色中, 染浴的pH 值往往因以下因素而发生波动:

(1) 织物前处理清洗不彻底, 以致少量碱性或酸性物质带入染浴中。

(2) 染色时, 添加的非中性添加剂(如助剂等) 使染浴的pH 值受影响。

(3) 有些染料本身的pH 值过高或过低, 若加入染浴中, 会引起染浴的pH 值变化。如分散染料福隆艳黄SE26GFL 的pH 值为8. 60; 福隆大红S23GFL的pH 值为10. 60。

(4) 锅炉在供汽时, 有时出现负压, 将其他容器内的碱性或酸性溶液倒吸入蒸

汽管道中, 在加热染浴时, 将碱性或酸性物质带入染浴中。

大多数染料对染浴的pH 值较敏感, 染浴的pH值控制稍有不当, 便会出现色浅、色差、色花等染疵。为了使染液的pH 值具有良好的稳定性, 染浴中须适当配制有相应的缓冲溶液。

2. 1. 1 分散染料染色

以高温高压溢流染色机分散染料染涤纶织物为例。由于许多分散染料对染浴的pH 值较敏感, 在不同的pH 值条件下染色, 得到色泽差异较大, 只有在弱酸性(pH=5±0.5)的染浴中染色, 得到的色泽最浓艳纯正。为了使染浴的pH 值在染色时始终保持良好的稳定性, 可配制醋酸＆醋酸钠缓冲溶液。

醋酸＆醋酸钠对pH 值控制的实际用量计算:

(1) 醋酸与醋酸钠的比值

设HAc初始浓度为Ca mol/L ,NaAc初始浓度为Cb mol/L, HAc电离部分浓度为x mol/L 。

则存在:

HAc-----H++Ac-

NaAc=Na++Ac-

[HAc]=Ca-x≈Ca

[Ac-]=Cb+x≈Cb

电离常数Ka=[H+]·[Ac-]/[HAc]≈x Cb/Ca

由于pH值控制在5左右, 以pH =4.80±0.20为宜。

pH=-lg[H+]=4.80

[H+]= 1.59×10-5mol/L

[H+]=x=Ka·Ca/Cb=1.8×10-5mol/L·(Ca/C)b=1.59×10-5mol/L

Cb=1.13Ca

即醋酸∶醋酸钠=1∶1.13

由于高温高压条件下, 弱酸的电离平衡常数K a值仍很小, 对醋酸2

醋酸钠缓冲体系的pH 值影响不大, 仍可按醋酸Ka=1.80×10-5计算。

(2) 醋酸与醋酸钠浓度

缓冲剂浓度正比于缓冲量, 根据实际生产对缓冲容量的要求, 计算醋酸2醋酸钠实际浓度。

在染色中, 酸性物质进入染浴的可能性小, 一般情况以防碱为主。

设由各种因素带入高温高压溢流机染浴的碱量为150 g, 且150 g 是全部碱性物质水解成NaOH的重量。

若溢流染色机染浴以3000L计算, 带入染浴的碱浓度为

150/3000÷40=0.00125 mo l/L 。

由于pH 值要求为4. 80±0.2<5, 同时Cb =1.13Ca ,按电离平衡常数得:

[H+]= Ka·Ca/Cb

1×10-5=1.8×10-5×(Ca-0.00125/1.13Ca+0.00125)

Ca=0.00522 mol/L

Cb=1.13×Ca=0.0059 mo l/L

即醋酸浓度为0.00522 mol/L,100%醋酸浓度为0.3132 g/L ; 醋酸钠浓度为0.0059 mol/L,100%醋酸钠浓度为0.484 g/L 。

在高温高压溢流染色中, 若3000 L的染浴中,带入的碱浓度为0.00125 mo l/L (假定是烧碱浓度) , 则可将100% 醋酸0.3132 g/L 和100% 醋酸钠0.484