共轭酸碱对缓冲能力大小影响因素实验初探

陈鲜丽 郑锋华

(1韶关学院医学院 广东韶关 512026；2广西师范大学化学化工学院 广西桂林 541004)

在文献[1]中有一道这样的题目：下列缓冲溶液缓冲容量最大的是？

(1) 20mL 0.1mol/L HAc-20mL 0.1mol/L NaAc混合

(2) 20mL 0.4mol/L HAc-20mL 0.2mol/L NaAc混合

(3) 15mL 0.1mol/L HAc-25mL 0.1mol/L NaAc混合

在文献[1-3]中说影响缓冲容量的因素有两个：① 总浓度：对于同一缓冲溶液，当缓冲比一定时，总浓度越大，缓冲容量越大。② 缓冲比：对于同一缓冲对，总浓度一定时，缓冲容量随着缓冲比的改变而改变，当缓冲比为1时，缓冲溶液具有最大缓冲容量。

上述3种缓冲溶液的总浓度分别是0.1mol/L、0.3mol/L、0.1mol/L；它们的缓冲比分别是1、1/2、5/3。如果比较缓冲溶液(1)和(3)，它们的总浓度一定，缓冲溶液(1)的缓冲比为1，所以得出结论，缓冲溶液(1)的缓冲能力比缓冲溶液(3)要大，但是这样的结论是不恰当的；而要让学生比较缓冲溶液(2)的缓冲容量大小，就更是无能为力了。

为了正确解答上述题目，并对β的影响因素作进一步的探讨，笔者做了以下实验。

1 实验部分1.1 仪器与试剂

仪器：上海精密科学仪器有限公司ZD-2自动电位滴定仪，上海精密科学仪器有限公司雷磁E-201-CpH复合电极，雷磁JB-1A搅拌器。

试剂：0.1mol/L NH3·H2O，0.1mol/L NH4Cl，0.1mol/L Na2HPO4，0.1mol/L KH2PO4，0.1mol/L HAc，0.1mol/L NaAc，0.5mol/L NaOH，0.5mol/L HCl，0.05mol/L邻苯二甲酸氢钾标准缓冲溶液，0.025mol/L混合磷酸盐标准缓冲溶液，0.01mol/L硼砂标准缓冲溶液。

1.2 滴定过程

一般情况下，缓冲溶液的总浓度控制在0.05～0.20mol/L之间，因此本文选择共轭酸碱的浓度均为0.1mol/L,按照表1配制成缓冲溶液。考虑到稀释效应的影响[4]，分别用0.5mol/L NaOH溶液和0.5mol/L HCl溶液滴定，记录pH和滴定液的体积V，由β=n/(V︱ΔpH︱)(n为外加的一元强酸或强碱的物质的量，V为缓冲溶液的体积，ΔpH为缓冲溶液pH的变化量)计算出缓冲容量β，做出β-V图。

表1 缓冲溶液的配制

2 结果与讨论2.1 同一缓冲体系不同缓冲比的抗酸抗碱能力对比

由图1～6可知，对同一个缓冲体系进行比较，缓冲比为3时，缓冲溶液的抗酸能力是最强的，抗碱能力是最弱的；缓冲比为1/3时，缓冲溶液的抗酸能力是最弱的，抗碱能力是最强的；缓冲比为1的体系，抗酸能力和抗碱能力都不是最强的，而是居于中等。因此在描述缓冲容量时，必须说明是抗酸能力还是抗碱能力，而不是笼统地说缓冲容量。

每个滴定实验重复了3次，实验的重现性良好。

为什么实验结果是这样的呢？原因在于：抗酸能力的大小取决于抗酸成分即共轭碱的浓度大小，抗碱能力的大小取决于抗碱成分即共轭酸的浓度大小。缓冲比为3，缓冲溶液的抗酸成分即共轭碱的浓度是最大的，抗碱成分即共轭酸的浓度是最小的；缓冲比为1/3，则刚好相反；缓冲比为1时，它的共轭碱和共轭酸浓度都不是最大的，因此它的抗酸能力和抗碱能力都居于中等。

2.2 3个缓冲体系缓冲比为1的抗酸抗碱能力对比

尽管缓冲比为1的缓冲溶液的抗酸和抗碱能力都不是最大的，但是它们的抗酸和抗碱能力却都是比较大的。所以在选择缓冲溶液时可以选择合适的pKa的缓冲对，然后选择缓冲比接近1的缓冲溶液。下面比较不同缓冲体系缓冲比为1时的抗酸抗碱能力(图7)。

图1 NH4Cl-NH3·H2O缓冲体系抗酸能力对比

图2 NH4Cl-NH3·H2O缓冲体系抗碱能力对比

图3 KH2PO4-Na2HPO4缓冲体系抗酸能力对比

图4 KH2PO4-Na2HPO4缓冲体系抗碱能力对比

图5 HAc-NaAc缓冲体系抗酸能力对比

图6 HAc-NaAc缓冲体系抗碱能力对比

图7 3种缓冲体系缓冲比为1的抗酸抗碱能力对比(a) NH4Cl-NH3·H2O缓冲体系;(b) KH2PO4-Na2HPO4缓冲体系;(c) HAc-NaAc缓冲体系

由图7(a)可看出，NH4Cl-NH3·H2O缓冲体系的pKa=9.25，是碱性缓冲体系，缓冲比为1时，前段的抗碱能力比抗酸能力强；由图7(b)可看出，KH2PO4-Na2HPO4缓冲体系的pKa接近7，是中性缓冲体系，缓冲比为1时，抗酸能力与抗碱能力相当；由图7(c)可看出，HAc-NaAc缓冲体系的pKa=4.75，是酸性缓冲体系，缓冲比为1时，前段的抗碱能力比抗酸能力强。

每个滴定实验重复3次，实验的重现性良好。

总的来说，同一缓冲体系，当缓冲比为1时，碱性溶液、中性溶液、酸性溶液的抗碱能力与抗酸能力没有明显规律。并不像文献[4]所说，“酸性缓冲溶液和碱性缓冲溶液的抗酸能力不同，一般来说，酸性缓冲溶液的抗酸能力较强”。

2.3 β-V图变化趋势的解读

当外加的强酸或强碱比较少时，所有缓冲体系中的抗酸成分和抗碱成分的浓度都比较大，β先有一个比较大的值，但随着外加的强酸或强碱的量增加时，β都会经过一个急剧下降的过程，因为缓冲溶液的缓冲能力到了最大值后，就要下降。选择缓冲溶液时，应该选择β比较大的范围。

3 题目的解答

抗酸能力的大小取决于抗酸成分即共轭碱的浓度大小，抗碱能力的大小取决于抗碱成分即共轭酸的浓度大小。依据上述结论可以很顺利地解出本文开头的题目。缓冲溶液(1)和缓冲溶液(3)的总浓度相同，它们的缓冲比分别为1和5/3，前者的抗碱能力比后者强，而抗酸能力则比后者弱；缓冲溶液(2)的总浓度和缓冲比与(1)、(3)不一样，要比较出抗酸能力和抗碱能力只能分别比较NaAc和HAc的浓度。表2列出了3种缓冲溶液NaAc和HAc的浓度。

表2 3种缓冲溶液的NaAc和HAc的浓度

从表2中可以看出，抗酸能力的强弱顺序是：缓冲溶液(2)>缓冲溶液(3)>缓冲溶液(1)，抗碱能力的强弱顺序是：缓冲溶液(2)>缓冲溶液(1)>缓冲溶液(3)。

4 本文结论对缓冲溶液选择的意义

缓冲比大的缓冲溶液的抗酸能力强，但是抗碱能力弱，缓冲比小的缓冲溶液的抗酸能力弱，但是抗碱能力强。这有点类似于“短板效应”:盛水的木桶是由许多块木板箍成的，盛水量也是由这些木板共同决定的。若其中一块木板很短，这块短板就成了这个木桶盛水量的“限制因素”。而选择缓冲溶液时，一般希望抗酸能力和抗碱能力都比较强。

尽管缓冲比为1的缓冲溶液的抗酸和抗碱能力都不是最大的，但是它们的抗酸和抗碱能力却都是比较大的。所以综合考虑的话，在选择缓冲溶液时通常是选择有合适的pKa的缓冲对，然后配制成缓冲比接近1的缓冲溶液。但是如果有所侧重，比如在配位滴定中，因为M+H2Y=MY+2H+，侧重抗酸能力的话，可以选择缓冲比大、共轭碱浓度大的缓冲溶液。

参 考 文 献

[1] 陈常兴，秦子平，许新.医学化学.第6版.北京：人民卫生出版社，2009

[2] 孙毓庆，胡育筑.分析化学.第2版.北京：科学出版社，2006

[3] 华中师范大学,东北师范大学,陕西师范大学.分析化学.北京：高等教育出版社，2001

[4] 王克强，冯瑞英.化学通报，1990(11)：52