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2011化工工程师考试：无机化学学习方案汇总

四.缓冲溶液

(一)缓冲溶液的概念

一般溶液的pH值不易恒定，可以随加入物质的酸碱性而急剧变化，甚至会因为溶解空气中的某些成分而改变pH值。然而，有一些具有特殊组分的溶液，它们的pH值不易改变，即使加入少量强酸或强碱或者稀释，其pH值也没有明显的变化。

能抵抗外加小量强酸、强碱和稀释，而保持pH值基本不变的溶液称为缓冲溶液(buffer solution)。缓冲溶液对强酸、强碱和稀释的抵抗作用称为缓冲作用(buffer action)

(二) 缓冲作用原理

我们以HAc-NaAc缓冲溶液为例，在HAc和NaAc的混合溶液中，NaAc为强电解质，在水溶液中完全电离为Na+和Ac-离子。大量的Ac-离子对HAc的电离产生同离子效应，使HAc的电离度更小，HAc几乎全部以分子的形式存在。因此溶液中存在大量的Ac-离子和大量的HAc分子。

NaAc → Na+ + Ac-

HAc = H+ + Ac-

大量 少量 大量

当向混合溶液中加入少量强酸时， Ac-能接受H+质子，转变成HAc，使平衡向左移动。达到平衡时，Ac-离子的浓度略有降低，HAc分子的浓度略有升高，而H+的浓度几乎不变，所以溶液的pH值基本保持不变。因而Ac-是抗酸成分。

当向溶液中加入少量强碱时， OH-立即与H+反应生成H2O，因而使H+浓度减少，平衡向右移动，促使HAc离解生成H+，补充与OH-反应所消耗的H+。达到平衡时，HAc的浓度略有降低，Ac-的浓度略有升高，而H+的浓度几乎没有改变，所以溶液的pH基本保持不变。因此HAc是抗碱成分。

同理每个缓冲溶液都含有一个抗酸成分和一个抗碱成分，即一个共轭酸碱对。

可用通式表示为： A + H2O = H3O+ + B

式中A表示共轭酸，B表示共轭碱，抗酸时，消耗共轭碱B，平衡向左移动，同时产生共轭酸A;抗碱时，消耗共轭酸A，平衡向右移动，同时产生共轭碱B。使溶液的pH值基本保持不变。其中A为抗碱成分，B为抗酸成分，这两种成分合称为缓冲对(buffter pair)。

(三)、缓冲溶液的pH计算

缓冲溶液的pH计算公式可以根据缓冲溶液体系中的弱电解质的电离平衡和其电离平衡常数来计算。在由弱酸A和其共轭碱B所组成的缓冲系中，共轭酸碱的质子转移平衡用通式表示如下：

A + H2O = H3O+ + B

[H3O+][ B]

Ka = -----------------------

[A]

Ka[ A]

[H3O+] = ---------------------

[B]

等式两侧分别取对数得

pH=pKa + lg[B]/[A] 即 pH=pKa + lg[共轭碱]/ [共轭酸]

根据上式可进行缓冲溶液的pH计算 。

注意：公式中的[共轭酸]和[共轭碱]表示的是平衡浓度。由于共轭酸为弱酸，电离度很小，而共轭碱的浓度较大，同离子效应使共轭酸的电离度更小，故共轭酸、共轭碱的平衡浓度基本上等于它们的配制浓度，即：

[共轭酸]=C共轭酸 ， [共轭碱]=C 共轭碱 ， 因此计算式可表示为：

pH=pKa + lg C 共轭碱 /C 共轭碱

由pH计算公式可知：

1. 缓冲溶液的pH值取决于共轭酸的电离常数和缓冲对的浓度比值。

C 共轭碱/ C共轭酸称为缓冲比(buffer ratio)。

2. 同一缓冲对的溶液，当温度一定时，pKa一定，pH值就取决于缓冲比，只要改变缓冲比，就可以在一定范围内配制出不同pH值的缓冲溶液。

3. 当缓冲比等于1，即C共轭酸 = C 共轭碱时，缓冲溶液的pH= pKa。

4.稀释缓冲溶液时，若只考虑体积的变化，由于缓冲比不变，所以溶液的pH值也不变。实际上溶液的稀释可改变弱酸的电离度等因素，缓冲比也会随着改变，必然引起pH值的改变。只是当体积变化不大时，pH值的变化是很小的。

必须指出，浓度较大的强酸、强碱溶液，也具有一定的缓冲能力。因为外加小量的酸、碱到这样的溶液中，引起原来酸、碱浓度的变化很小，因而pH 值基本稳定。

从缓冲溶液pH计算公式看，缓冲溶液pH值的改变是由于缓冲比改变引起的，缓冲比变化大，缓冲溶液的pH值变化也大，因此缓冲溶液缓冲能力的大小取决于外加酸(碱)后，缓冲比变化的大小。而缓冲比的变化又决定于两个因素：

1.当缓冲比一定时，缓冲溶液总浓度(C共轭酸+C共轭碱)越大，外加同量的酸(碱)后，缓冲比变化越小，缓冲能力越大。

2.当总浓度固定，缓冲比为1时，外加同量的酸(碱)后，比值变化最小，缓冲能力最大。

因此，为了有较大的缓冲能力，除应考虑有较大缓冲对的总浓度外，还必须注意缓冲比。对于所需特定pH值的缓冲溶液，可以通过调节缓冲比来达到要求，但一般应控制缓冲比在0.1到10之间，否则缓冲能力太小，起不到缓冲作用。

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