普通化學/緩衝系統

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單元: 物質 · 原子結構 · 鍵合 · 反應 · 溶液 · 物質的狀態 · 平衡 · 動力學 · 熱力學 · 元素
附錄: 元素週期表 · 單位 · 常數 · 公式 · 還原電位 · 元素及其性質

簡介

緩衝系統是指溶液中含有大量的弱酸及其共軛鹼（或弱鹼及其共軛酸）的體系。這種耦合能夠抵抗溶液pH值的改變。當加入強酸時，它會被共軛鹼中和。當加入強鹼時，它會被弱酸中和。但是，如果加入過量的酸或鹼，就會超過緩衝溶液的容量，導致pH值發生顯著變化。

${\hbox{HA}}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}^{+}+{\hbox{A}}^{-}$	假設HA是一種任意的弱酸，A^-是它的共軛鹼，它們處於平衡狀態。
${\hbox{A}}^{-}+{\hbox{H}}^{+}\rightarrow {\hbox{HA}}$	加入強酸後，由於中和作用，pH值只會發生很小的變化。
${\hbox{HA}}+{\hbox{OH}}^{-}\rightarrow {\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+{\hbox{A}}^{-}$	同樣，加入強鹼後，pH值只會發生很小的變化。

當溶液需要保持特定pH值時，緩衝溶液非常有用。例如，血液是一種緩衝系統，因為人體中的生命過程只能在7.35到7.45的特定pH值範圍內進行。例如，當運動時肌肉釋放乳酸時，血液中的緩衝劑會中和它，以維持健康的pH值。

再次考慮一種任意的弱酸HA，它存在於溶液中。如果我們引入該酸的共軛鹼的鹽，比如NaA（它會提供A^-離子），我們就得到了緩衝溶液。理想情況下，緩衝溶液應該包含等量的弱酸和共軛鹼。

除了加入NaA，如果加入強鹼，比如NaOH呢？在這種情況下，氫氧根離子會中和弱酸，生成水和A^-離子。如果溶液中只有A^-離子，那麼加入強酸，比如HCl，它們會中和並生成HA。

如你所見，有三種方法可以製備緩衝溶液

**緩衝溶液**
1 HA + 1 A^- 1 HA + ½ OH^- 1 A^- + ½ H⁺	1 B + 1 HB⁺ 1 B + ½ H⁺ 1 HB⁺ + ½ OH^-

所有這六種組合都會生成等量的弱酸及其共軛鹼，或弱鹼及其共軛酸。

要確定緩衝體系的pH值，必須知道酸的**解離常數**。這個值， $K_{a}$ （或 $K_{b}$ 對於鹼）決定了酸（或鹼）的強度。它在平衡單元中進行了更深入的探討，但目前足以說這個值僅僅是酸和鹼強度的量度。酸和鹼的解離常數是透過實驗確定的。

**亨德森-哈塞爾巴爾赫方程**可以計算緩衝溶液的pH值。它是

{\hbox{pH}}={\hbox{pK}}_{a}+\log {\frac {[{\hbox{A}}^{-}]}{[{\hbox{HA}}]}}

對於由鹼生成的緩衝液，方程為

{\hbox{pH}}={\hbox{pK}}_{b}+\log {\frac {[{\hbox{B}}]}{[{\hbox{HB}}^{+}]}}

使用這些方程需要確定溶液中鹼與酸的比例。