基于工科院校讲授酸碱缓冲溶液知识的理解

郑利梅 展海军 刘捷

摘 要 一般工科院校的无机及分析化学教材对缓冲溶液部分知识点的处理仅包括缓冲溶液的组成，pH值的计算，但是针对标准缓冲溶液及缓冲容量和缓冲溶液的缓冲范围等内容编写太少或者根本没有，本文根据作者的教学经验探讨在教学中对缓冲溶液教学内容的处理。

关键词 缓冲溶液 pH值计算 缓冲容量

中图分类号：O61-33文献标识码：A

Based on the Views of Acid-base Properties of Buffer

Solution-The Courses Taught in Engineering Colleges

ZHENG Limei, ZHAN Haijun, LIU Jie

(School of Chemistry and Chemical Engineering, He'nan University of Technology, Zhengzhou, He'nan 450001)

Abstract Buffer solution content includes only the buffer solution composition and acid-base buffer solution pH value calculation In general colleges of engineering courses in inorganic and analytical chemistry textbooks. But too little is described in the book on the acid-base standard buffer solution,buffering capacity and the scope of the buffer solution. This paper discusses the author's treatment of buffer solution contents.

Key words Buffer solution; The calculation of pH; Buffer capacity

酸碱缓冲溶液是一种能对溶液的酸度起稳定作用的溶液，它在一定的程度和范围内可以减小和消除因加入少量的酸或碱，或者溶液中的化学反应产生了少量酸或碱，或者稍加稀释对溶液酸度所产生的影响。酸碱缓冲溶液在化学、生物化学和临床医学中有十分重要的作用，它可以用来控制溶液的酸度使化学（生化）反应向特定方向进行，也可以在测量溶液pH值时作参照标准使用（称为标准缓冲溶液）。

一般工科院校教材在编写酸碱缓冲溶液这部分内容时，对缓冲溶液的组成及一般缓冲溶液pH值的计算都有详细的介绍，但是对标准缓冲溶液及缓冲容量和缓冲范围部分的写得甚少或者没有，作者认为这部分内容在处理化学、生物化学及临床医学等方面问题时具有十分重要的作用，在编写教材时应该尽可能详尽，具体教学过程结合各个学科的实际情况进行删减，对工科学生因学时有限，一般不要求推导公式，只要求记结论，但是学生在学习的过程中应该知道结论是从哪里来的，不但知其然还应该知其所以然。本文仅就标准缓冲溶液及缓冲容量和缓冲范围等内容在讲授过程谈谈自己的处理方法。

1 标准缓冲溶液（standard buffer）

标准缓冲溶液是用来定位pH计用的，其pH值是在较严格的条件下（浓度、温度一定），经准确的实验测得H+的活度，如欲通过有关公式进行理论计算，必须考虑溶液中离子强度的影响，否则理论计算与实验值不相符。以例题形式来进行说明：

例1考虑离子强度的影响，计算0.025mol/L KH2PO4－0.025mol/L Na2HPO4 缓冲溶液的pH值，已知H3PO4的pKa2 = 7.20。

解：若不考虑离子强度的影响，按通常方法计算，则

计算结果与标准值相差颇大，产生偏差的原因是由于实测的是H+的活度而不是浓度，因此计算时应考虑离子强度的影响。该溶液的离子强度为

由附录表查得

，故

计算结果与标准值一致。下表1列出了常用的几种标准缓冲液，它们的pH值经过准确实验测得的，目前已被国际上规定作为测定溶液pH值时的标准参考溶液。

表1 标准缓冲溶液

2 缓冲容量和缓冲范围

缓冲溶液的缓冲作用都是有限度的，如（下转第137页）（上接第129页）果加入的酸（碱）的量太多，或是稀释的倍数太大，缓冲溶液的缓冲能力将会消失，缓冲溶液的缓冲能力大小常用缓冲容量来衡量，以 表示，其数学表达式为：

== -（1）

其物理意义是使1L溶液溶液的pH增加dpH单位时所需加入强碱的量为dCb(mol)；或者使1L溶液溶液的pH降低dpH单位时所需加入强酸的量为dCa(mol)。缓冲容量 具有加和性，以HA－A- 缓冲体系的水溶液为例，上式 为H+、OH- 及HA(A-)三者缓冲指数、、的加和，即

==++=++

对上式进行推导后得：

= 2.303( + ) +（2）

式（2）中的C为HA－A-的总浓度。当缓冲溶液是由强酸控制其pH值时，式（2）可简化为 ≈ 2.303；当缓冲溶液由强碱溶液控制pH时 ≈ 2.303；如果缓冲溶液是由HA－A-组成，且缓冲组份浓度较大，溶液的pH大约在（pKa?）范围内，可以认为

（3）

由式（3）可清楚的看出，缓冲容量 与缓冲组份比总浓度的关系，且可以很方便的计算出[A-]/[HA]比值不同时相应的 值。

结论：（1）对于一个给定的缓冲体系，缓冲容量的大小与缓冲物质总浓度C有关，C越大，缓冲容量 越大，缓冲溶液的缓冲能力越强。（2）缓冲容量也与缓冲对的比值有关，总浓度C一定时，当[H+]=Ka，或者[HA]=[A-]时，缓冲容量有最大值，此时 max = 0.575c，离1愈远，缓冲容量愈小，甚至失去缓冲作用。因此任何缓冲溶液的缓冲作用都有一个有效的pH范围。一般而言，缓冲对比值在10 ~ 1/10之间时具有可使用价值的缓冲能力，此浓度比范围所对应的pH范围是：pH=pKa ?1 称为缓冲溶液的有效缓冲范围。

此部分内容在化学、生物化学及临床医学等方面的具体应用中非常广泛，也是必须掌握的知识，但是工科院校的教材在编写此部分内容时一般略写或者没有，在讲授时为了让学生了解此部分内容就需要补充大量的知识，这样一来工科院校本来有限的学时在教学过程中就显得更紧张，为了处理好学时有限和讲授内容多之间的冲突，针对工科院校教材，笔者在以上探讨了自己的体会，希望老师在编写此部分内容时应该尽可能用详细而简练的知识来表达，在讲授过程中根据工科学生的特点处理教材，公式推导上不必花费大量篇幅，对此也不做要求，重点是结论要记住，且知道是怎么得来的，会应用这些知识，那么我们的教学目的也就达到了。

参考文献

[1] 天津大学无机化学教研室编.无机化学.第三版.北京:高等教育出版社,2002.

[2] 华东理工大学化学系和四川大学化工学院编.分析化学.第五版.北京:高等教育出版社,2003.

[3] 孟凡昌.分析化学教程.武汉:武汉大学出版社,2009.

[4] 司学芝,刘捷.分析化学.北京:化学工业出版社,2010.