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NH4C1）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+1og｛［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°C时是8.4，37°C时是7.4，因此，4°C配制的缓冲液在37°C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。缓冲液名称及常用浓度缓冲pH范围甘氨酸-盐酸缓冲液(0.05mol/L)2.2-5.0甘氨酸-氢氧化钠缓冲液(0.05mol/L)8.6-10.6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(1/15molL)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。⑵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。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。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。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：醋酸与醋酸钠的比值设HAc初始浓度为Camol/L,NaAc初始浓度为Cbmol/L,HAc电离部分浓度为xmol/L。则存在：HAcH++Ac-NaAc=Na++Ac-[HAc]=CafCa[Ac-]=Cb+x^Cb电离常数Ka=[H+]・[Ac-]/[HAc]^xCb/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+]=1.59X10-5mol/L[H+]=x=Ka・Ca/Cb=1.8X10-5mol/L・(Ca/C)b=1.59X10-5mol/LCb=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Ka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=1.80X10-5计算。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150g,且150g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=0.00125mol/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/Cb1X10-5=1.8X10-5X(Ca-0.00125/1.13Ca+0.00125)Ca=0.00522mol/LCb=1.13XCa=0.0059mol/L即醋酸浓度为0.00522mol/L,100%醋酸浓度为0.3132g/L;醋酸钠浓度为0.0059mol/L,100%醋酸钠浓度为0.484g/L。在高温高压溢流染色中，若3000L的染浴中，带入的碱浓度为0.00125mol/L(假定是烧碱浓度)，则可将100%醋酸0.3132g/L和100%醋酸钠0.484g/L配成缓冲液加入染浴中，可有效地将染浴的pH值控制在所要求的范围内。2.1.2羊毛弱酸性染料和活性染料染色弱酸性染料或高温活性染料Lanasol染羊毛纤维时，必须严格控制染浴整个染色过程的pH值在弱酸性条件下（染浴的pH值是由染色深度和染色所用助剂决定）。因酸起促染作用，若酸性较强，染浴中染料很容易吸附在羊毛纤维表面，甚至在纤维表面超当量上染，染料分子发生聚集而染花。一般染色介质酸性越强，染料上染率越快，匀染性越差（特别温度80°C以上更为突出）。染色时若采用NH3・H2O/（NH4）2SO4或HAc/NaAc等混合缓冲剂来控制染浴的pH值，可使其保持在所需的范围内，从而使羊毛纤维能获得较高的吸尽率和匀染性（特别是中浅色）。1.3活性染料冷轧堆染色活性染料冷轧堆染色采用缓冲混合碱作为固色碱，对提高染液稳定性及消除风印有极大的好处。二氯均三嗪型染料较活泼，冷轧堆染色采用Na2CO3/NaHCO3作固色碱,染色织物布面的“发毛”与不匀等染疵较单独用Na2CO3碱剂有所改善，特别是染料用量超过30g/L情况及个别匀染性差和难染品种，采用Na2CO3/NaHCO3（比例2:1）的固色碱可得到良好的匀染性，并提高染料的固色率。此外,硫化染料中硫化黑在上染过程中，极易发生氧化，产生染斑。若加入Na2CO3/NaHCO3（比例2.2%〜4.2%）的混和碱来控制染浴pH值,可减少氧化速度，对减轻染斑有很好的效果。2印花活性印花一步法的固色碱剂若采用碱性较高的Na2CO3（pH=12左右），当色浆与织物接触时，染料极易被活化，急剧提高染料对纤维的亲和力，而染料渗透扩散能力相应会降低，导致在纤维表面固着不匀;而采用NaHCO3作固色碱剂会影响染料的固色率。只有采用Na2CO3NaHCO3混合碱作碱剂，印花色浆更稳定，汽蒸后织物色泽更正,得色量也相应提高。涂料印花中,用作配制印花色浆的粘合剂（反应性）或交联剂（自交），往往是弱酸性溶液，带有弱正电荷，常使乳液分散稳定性降低，而不利于印花若加某些缓冲剂，如NH3-H2O/NH4C1或NH3・H2O/（NH4）2SO4等，可使色浆的pH值稳定在7〜8范围内，印花色浆的粘度和流变性也最理想，同时防止交联反应过早发生，提高色浆稳定性，减少塞网，保证印花顺利进行，对提高产品质量极为有利。3、结语利用缓冲溶液保持溶液酸碱度稳定作用，可有效控制染浴的pH值在所要求的范围内，即使溶液中带入了影响其酸（碱）度的各种因素或溶液适当变稀，缓冲溶液都能使溶液所需的pH值基本稳定，从而有利于印染加工，确保产品质量。缓冲溶液的生物意义：我们所有的科学研究最终都是要为人类服务的，因此我们要了解一个研究有什么意义，就要先了解研究对象对于我们的意义。人体内各种体液的PH值具有十分重要的意义，它们均控制在一狭小范围内，因为只有在这范围内，机体的各种功能活动才能正常进行。离开正常范围的少许变化尚能允许，但如变化太大，都可能引起体内许多功能失调。在体内差不多每项代谢的结果都有酸产生，如有机食物被完全氧化而产生碳酸，嘌吟被氧化而产生尿酸，碳水化合物的厌氧分解而产生乳酸以及因氧化作用不完全而导致乙酰乙酸和B-羟基丁酸的生成等。体内代谢也生成磷酸和硫酸。代谢过程也可以产生NaHCO3。这些代谢产生的酸或碱进入血液并没有引起PH值发生明显的变化，这说明血液具有足够的缓冲作用，也说明体内有着有效的生理作用支配着体内能及时地得到缓冲物的不断补充。正常人血浆的PH值相当恒定，因为血液是一种很好的缓冲溶液。在这些缓冲系中，碳酸氢盐缓冲系（HCO-3/H2CO3）在血液中浓度很高，对维持血液正常PH值的作用很重要。其次红细胞中的血红蛋白和氧合血红蛋白缓冲系也很重要。这些缓冲系中的共轭酸（如H2CO3）起抗碱作用，共轭碱（如HCO-3）起抗酸作用，使PH值保持正常。当人体内各组织和细胞在代谢中产生的酸进入血液时，血液中CO2-HCO-3缓冲系的共轭碱HCO-3就和H+反应，并转变为其共轭酸H2CO3及CO2，即上述H2CO3离解平衡向左移动。因碳酸仅轻度离解，所以，等于把加入的H+从溶液中有效地除去，维持PH基本不变。而溶解的CO2转变为气相CO2从肺部呼出。如果代谢产生的碱进入血液，则上述血液中的离解平衡向右移动，从而抑制PH值的升高。而血液中升高的［HCO-3］可通过肾脏功能的调节使其浓度降低。血液中其他缓冲系的抗酸抗碱作用和CO2-HCO-3缓冲作用的原理相似。而且，当产生CO2过多时，主要是通过血红蛋白和氧合血红蛋白运送到肺部排出，或通过磷酸缓冲系使［CO2］降低。至于降低的［HCO-3］也可以通过肾脏功能的调节使其在血液中的浓度升高，从而使［CO2］、［HCO-3］和［HCO-3］/［CO2］（溶解）都恢复正常。肺呼吸快些或慢些可调节CO2的量或酸量（呼吸慢则CO2积蓄）；而肾的功能之一是调节血液中HCO-3的浓度及磷酸盐缓冲系的含量。肺和肾脏的协同调节操持［HCO-3］/［CO2］（溶解）=20/1，虽然这时缓冲比超出（10/1）-（1/10）范围，可是缓冲容量仍然很大。总之，血液PH值能保持正常范围，是多种缓冲对的缓冲作用以及有效的生理调节作用的结果。微生物的培养，组织切片和细菌染色，以及研究酶的催化，都需用一定PH值的缓冲溶液。在临床检验中，常把血液中HCO-3的浓度看作“碱储备”，作为一种常规来检查，也需要缓冲作用的知识。理解缓冲作用的基本原理和掌握这方面的基本实验知识，在医学上有重要的意义。实验一、研究方法：通过定量的酸碱滴定，不间断用电子pH计检测pH，测量不同浓度和种类的缓冲溶液缓冲能力的大小，进而比较出平时进行实验时的最佳方案，以做出最好的选择。二、任务分工成员姓名所在班级分工内容李时骁吉一'Q高二8实验设计实验数据整理实验报告唐玥吉一'Q高二8搜集资料实验论文宋珺吉一'Q高二8搜集资料实验论文鲁韩旭吉一'Q高二8搜集资料实验论文宁馨儿吉一'Q高二8搜集资料实验论文余天硕吉一'Q高二8搜集资料实验论文三、活动时间安排9-10月讨论实验方案

10月26日与12月23日进行实验四、研究过程1、计算所需的溶质的质量，加入烧杯中，加水溶解，倒入250ml容量瓶中，加水到刻度线下，改用胶头滴管加水至刻度线，振荡。测量pH值，与计算值比较。2、用移液管取20ml缓冲溶液，逐滴滴加1mol/LHCl，测量缓冲溶液超过缓冲范围所用的HCl的量3、用移液管取20ml缓冲溶液，逐滴滴加1mol/LNaOH，测量缓冲溶液超过缓冲范围所用的NaOH的量五、实验结论1、离子总浓度相同，且离子比为1：1时，由两种离子构成的不同缓冲体系，缓冲能力，三种类型的缓冲溶液缓冲能力相同；②的效果较好，①③醋酸、氨水有挥发现象，所以实验数据偏小，但在一般实验中可以选择使用。2、两种相同离子构成的缓冲体系，且离子比为1：1时，浓度大小与缓冲能力的关系：溶液浓度越大，缓冲能力越强。根据实验数据得出：缓冲能力与溶液浓度成正比。3、离子总浓度相同，两种缓冲体系中离子浓度均为1：1时，均不如一种缓冲体系缓冲能力，但④⑥分别对酸和碱的缓冲能力与单体系几乎相当，受离子之间的互相影响，导致分别对碱和酸的缓冲能力较低，若受某些因素制约而迫不得已，可以分别用来对酸和碱的缓冲。⑤中两缓冲体系混合后为弱碱弱酸盐，水解程度较高，导致对酸和碱的缓冲能力均较差，不宜在实验中选择。六、体验与反思对于溶液的配制要精确。从计算到称量到装瓶贴标签都要很细心，不然就会出现溶液配错的现象，导致实验数据严重不准确。（eg.某本应呈碱性的溶液pH是6）做实验时要有耐心。因为我们的实验室定量的实验，需要pH剂和滴定管配合使用，因此需要小心地滴加溶液以便让pH缓慢变化，有时缓冲溶液缓冲能力太好就需要加很多滴定液，一不耐烦就可能使pH超过允许的变化范围，功亏一篑。要善于观察归纳。我们所研究的缓冲溶液有一部分是已有的已知缓冲范围的溶液，有些缓冲溶液是我们自己想出来的不能确定缓冲范围的溶液，但经观察发现所有的缓冲溶液，不论是酸性的还是碱性的，其缓冲范围均为溶液本身pH值加减一的范围。操作要规范。虽然在本实验中不怎么规范也不会酿成大错，但会损坏仪器。（eg.今天差点以为pH剂被碰坏了）要有实事求是的态度。尤其表现在不能编造数据，发现数据与设想不符合就要及时重新做实验，检查是设想错误还是实验错误。致谢感谢刘晓军老师认真负责地指导本课题，并提出了许多宝贵意见，并感谢实验室杨老师在百忙之中为我们准备众多药品和实验器材。参考文献1、中国卫生检验杂志2008年2月第18卷第2期（潍坊出入检验检疫局，山东潍坊26104）.2、全国艾滋病检测技术规范【S】.2004.3、中国印染化学品网.4、百度百科附录一：缓冲溶液缓冲能力探究实验（一）组长：李时骁组员：唐玥、宋珺、宁馨儿、鲁韩旭、余天硕指导老师：刘晓军一、实验目的：1、离子总浓度相同，且离子比为1：1时，由两种离子构成的不同缓冲体系，缓冲能力的大小关系。2、两种相同离子构成的缓冲体系，且离子比为1：1时，浓度大小与缓冲能力的关系。二、实验准备：1、仪器：20ml移液管、烧杯、酸碱滴定管、电子pH计、电子天平、250ml容量瓶、玻璃棒、胶头滴管、铁架台2、药品：HCl（1mol/L）、NaOH（1mol/L）、HAc、NaAc、NaHCO3、Na2CO3、NH4Cl、NH3-H2O（25%）3、计算所需的溶质的质量，加入烧杯中，加水溶解，倒入250ml容量瓶中，加

水到刻度线下，改用胶头滴管加水至刻度线，振荡。测量pH值，与计算值比较0.5mol/LHAc+0.5mol/LNaAc0.5mol/LNaHCO3+0.5mol/LNa2CO30.5mol/LNH4Cl+0.5mol/LNH3-H2O0.25mol/LHAc+0.25mol/LNaAc0.25mol/LNaHCO3+0.25mol/LNa2CO3⑥0.25mol/LNH4Cl+0.25mol/LNH3・H2O序号计算用量’pH缓冲范围①HAc7.5g;NaAc10.25g3.82.8-4.8②NaHCO310.5g;Na2CO313.25g9.38.3-9.3③NH4Cl6.69g;NH3-H2O8.5g9.38.3-9.3④HAc3.75g;NaAc5.13g3.92.9-4.9⑤NaHCO35.25g;Na2CO36.63g9.28.2-9.2⑥NH4Cl3.35g;NH3-H2O2.19g9.38.3-9.3三、实验步骤：1、用移液管取20ml缓冲溶液，逐滴滴加1mol/LHCl,测量缓冲溶液超过缓冲范围所用的HCl的量2、用移液管取20ml缓冲溶液，逐滴滴加1mol/LNaOH，测量缓冲溶液超过缓冲范围所用的NaOH的量四、数据记录：序号酸用量(ml)碱用量(ml)①7.59.7②9.69.6③6.48.8④4.45.0⑤4.64.1⑥3.04.1五、实验结论:1、离子总浓度相同，且离子比为1：1时，由两种离子构成的不同缓冲体系，缓冲能力，三种类型的缓冲溶液缓冲能力相同；②的效果较好，①③醋酸、氨水有挥发现象，所以实验数据偏小，但在一般实验中可以选择使用。2、两种相同离子构成的缓冲体系，且离子比为1：1时，浓度大小与缓冲能力的关系：溶液浓度越大，缓冲能力越强。根据实验数据得出：缓冲能力与溶液浓度成正比。附录二：缓冲溶液缓冲能力探究实验(二)组长：李时骁组员：唐玥、宋珺、宁馨儿、鲁韩旭、余天硕指导老师：刘晓军一、实验目的：离子总浓度相同，两种缓冲体系中离子浓度均为1：1时，与一种缓冲体系缓冲能力大小关系。二、实验准备：3、仪器：20ml移液管、烧杯、酸碱滴定管、电子pH计、电子天平、250ml容量瓶、玻璃棒、胶头滴管、铁架台1、药品：HCl(1mol/L)、NaOH(1mol/L)、HAc、NaAc、