缓冲区

缓冲区

当阿伦尼乌斯酸 （HA） 加入水中时，它会解离成共轭碱 （A^-） 和氢阳离子 （H⁺）。

HA + H₂O → H⁺_（aq） + A^-_（aq）

溶液中存在的氢离子量决定了溶液的酸度，其中氢离子越多表示 pH 值较低或酸性越高。同样，当将强 Arrhenius 碱 （BOH） 添加到水中时，它会解离成共轭酸 （B⁺） 和氢氧根离子 （OH^-）。

BOH + H₂O → B⁺_（aq） + OH^-_（aq）

通常，在溶液中添加强酸或强碱会显着改变 pH 值，因为酸或碱会与溶液中的水分子发生反应，从而增加氢离子或氢氧根离子的浓度。然而，使用缓冲液可以减轻 pH 值的这种变化。缓冲液是可在系统中保持恒定 pH 值的溶液，无论是否添加强酸或强碱。

大多数情况下，缓冲液的组分是弱酸或弱碱的共轭酸碱对。因此，在水中完全解离的强酸或强碱会产生非常差的缓冲液，而部分解离的弱酸或碱会产生更好的缓冲剂。当存在缓冲液时，强酸或强碱不与溶液中存在的水分子反应，而是与弱酸/共轭碱反应。这导致溶液的 pH 值几乎没有变化。

共离子效应

缓冲液通过一种称为常见离子效应的现象起作用。当将给定离子添加到已经包含给定离子的平衡混合物中时，就会发生常见的离子效应。当这种情况发生时，平衡会从形成更多的离子中转移出来。

例如，乙酸 （CH₃COOH） 在水中略微解离，形成乙酸根离子 （CH₃COO^-） 和氢离子。

声道₃COOH_（aq） H₂O ⇔ H⁺_（aq） + 声道₃COO^-_（aq）

如果从可溶性乙酸钠中加入更多的乙酸根离子，平衡位置向左移动，形成更多未解离的乙酸，氢离子的浓度降低。在这里，常见的离子 — 乙酸盐 — 抑制了乙酸的解离。

缓冲液必须含有高浓度的酸性 （HA） 和碱性 （A^-） 组分才能缓冲溶液。如果添加到缓冲液中的氢离子或氢氧根离子量较少，它们会导致少量一种缓冲液成分转化为另一种缓冲液成分。只要添加的离子浓度远小于缓冲液中已经存在的 HA 和 A^- 的浓度，那么添加的离子对 pH 值的影响很小，因为它们被一种缓冲液成分消耗掉。当氢气或氢氧化物的浓度超过酸及其共轭碱的浓度时，缓冲作用丧失，pH值会发生变化。

Henderson-Hasselbalch 方程

弱酸的解离常数 KA 是用非解离酸 HA 的浓度以及氢离子和共轭碱的浓度 A^- 来计算的。

较高的 K_a 值表示较强的酸，而较小的 K_a 值表示较弱的酸。为了确定氢离子的浓度，该方程被重新排列。在这种形式中，很明显，酸物质与碱物质的比例在确定氢离子浓度以及 pH 值方面很重要。

取两侧的负公对数得到 Henderson-Hasselbalch 方程。

Henderson-Hasselbalch 方程可以直接计算缓冲液的 pH 值，而无需先计算氢离子的浓度。

例如，它可用于测定加入 0.02 摩尔强碱后的 1 L 缓冲液的 pH 值。强碱完全解离，因此添加的羟基离子浓度为 0.02 M。这将使酸的浓度降低 0.02。假设酸 （HA） 和碱 （A^-） 组分的原始浓度均为 0.5 M，则新的碱浓度增加 0.02 M 至 0.52 M，而酸浓度降低 0.02 M 至 0.48 M。知道缓冲液酸组分的 pK_a，我们可以将这些新组分浓度代入 Henderson-Hasselbalch 方程以确定 pH 值。

这可用于确定缓冲液容量，或可以在不显著影响 pH 值的情况下向缓冲液中添加多少强酸或强碱。

缓冲容量

缓冲液容量是衡量缓冲液抵抗 pH 值变化能力的指标。这种能力取决于缓冲液组分的浓度，即酸及其偶联碱。缓冲液浓度越高，缓冲容量越大。这意味着必须添加更多的氢离子或更强的酸，以破坏平衡并改变缓冲液的 pH 值。

缓冲液容量还受缓冲液组分的相对浓度的影响。当组分的浓度相似时，缓冲液更有效。如果缓冲液组分比相似，则加入酸或碱时组分浓度比不会发生显著变化;必须添加大量的酸或碱以抵消比率并改变 pH 值。

缓冲液的 pH 值与其缓冲液容量不同。pH 范围是缓冲液有效的范围。通常，缓冲液的可用范围在缓冲液酸成分 pK_a 的 1 个 pH 单位范围内。

引用

1. Kotz， J.C.， Treichel Jr， P.M.， Townsend， J.R. （2012）.化学和化学反应性。加利福尼亚州贝尔蒙特：Brooks/Cole，圣智学习。
2. Silberberg， M.S. （2009）.化学：物质和变化的分子性质。马萨诸塞州波士顿：麦格劳·希尔。