共軛酸堿對緩沖能力大小影響因素實驗初探

陳鮮麗 鄭鋒華

(1韶關學院醫(yī)學院 廣東韶關 512026；2廣西師范大學化學化工學院 廣西桂林 541004)

在文獻[1]中有一道這樣的題目：下列緩沖溶液緩沖容量最大的是？

(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

在文獻[1-3]中說影響緩沖容量的因素有兩個：① 總濃度：對于同一緩沖溶液，當緩沖比一定時，總濃度越大，緩沖容量越大。② 緩沖比：對于同一緩沖對，總濃度一定時，緩沖容量隨著緩沖比的改變而改變，當緩沖比為1時，緩沖溶液具有最大緩沖容量。

上述3種緩沖溶液的總濃度分別是0.1mol/L、0.3mol/L、0.1mol/L；它們的緩沖比分別是1、1/2、5/3。如果比較緩沖溶液(1)和(3)，它們的總濃度一定，緩沖溶液(1)的緩沖比為1，所以得出結(jié)論，緩沖溶液(1)的緩沖能力比緩沖溶液(3)要大，但是這樣的結(jié)論是不恰當?shù)?；而要讓學生比較緩沖溶液(2)的緩沖容量大小，就更是無能為力了。

為了正確解答上述題目，并對β的影響因素作進一步的探討，筆者做了以下實驗。

1 實驗部分1.1 儀器與試劑

儀器：上海精密科學儀器有限公司ZD-2自動電位滴定儀，上海精密科學儀器有限公司雷磁E-201-CpH復合電極，雷磁JB-1A攪拌器。

試劑：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鄰苯二甲酸氫鉀標準緩沖溶液，0.025mol/L混合磷酸鹽標準緩沖溶液，0.01mol/L硼砂標準緩沖溶液。

1.2 滴定過程

一般情況下，緩沖溶液的總濃度控制在0.05～0.20mol/L之間，因此本文選擇共軛酸堿的濃度均為0.1mol/L,按照表1配制成緩沖溶液。考慮到稀釋效應的影響[4]，分別用0.5mol/L NaOH溶液和0.5mol/L HCl溶液滴定，記錄pH和滴定液的體積V，由β=n/(V︱ΔpH︱)(n為外加的一元強酸或強堿的物質(zhì)的量，V為緩沖溶液的體積，ΔpH為緩沖溶液pH的變化量)計算出緩沖容量β，做出β-V圖。

表1 緩沖溶液的配制

2 結(jié)果與討論2.1 同一緩沖體系不同緩沖比的抗酸抗堿能力對比

由圖1～6可知，對同一個緩沖體系進行比較，緩沖比為3時，緩沖溶液的抗酸能力是最強的，抗堿能力是最弱的；緩沖比為1/3時，緩沖溶液的抗酸能力是最弱的，抗堿能力是最強的；緩沖比為1的體系，抗酸能力和抗堿能力都不是最強的，而是居于中等。因此在描述緩沖容量時，必須說明是抗酸能力還是抗堿能力，而不是籠統(tǒng)地說緩沖容量。

每個滴定實驗重復了3次，實驗的重現(xiàn)性良好。

為什么實驗結(jié)果是這樣的呢？原因在于：抗酸能力的大小取決于抗酸成分即共軛堿的濃度大小，抗堿能力的大小取決于抗堿成分即共軛酸的濃度大小。緩沖比為3，緩沖溶液的抗酸成分即共軛堿的濃度是最大的，抗堿成分即共軛酸的濃度是最小的；緩沖比為1/3，則剛好相反；緩沖比為1時，它的共軛堿和共軛酸濃度都不是最大的，因此它的抗酸能力和抗堿能力都居于中等。

2.2 3個緩沖體系緩沖比為1的抗酸抗堿能力對比

盡管緩沖比為1的緩沖溶液的抗酸和抗堿能力都不是最大的，但是它們的抗酸和抗堿能力卻都是比較大的。所以在選擇緩沖溶液時可以選擇合適的pKa的緩沖對，然后選擇緩沖比接近1的緩沖溶液。下面比較不同緩沖體系緩沖比為1時的抗酸抗堿能力(圖7)。

圖1 NH4Cl-NH3·H2O緩沖體系抗酸能力對比

圖2 NH4Cl-NH3·H2O緩沖體系抗堿能力對比

圖3 KH2PO4-Na2HPO4緩沖體系抗酸能力對比

圖4 KH2PO4-Na2HPO4緩沖體系抗堿能力對比

圖5 HAc-NaAc緩沖體系抗酸能力對比

圖6 HAc-NaAc緩沖體系抗堿能力對比

圖7 3種緩沖體系緩沖比為1的抗酸抗堿能力對比(a) NH4Cl-NH3·H2O緩沖體系;(b) KH2PO4-Na2HPO4緩沖體系;(c) HAc-NaAc緩沖體系

由圖7(a)可看出，NH4Cl-NH3·H2O緩沖體系的pKa=9.25，是堿性緩沖體系，緩沖比為1時，前段的抗堿能力比抗酸能力強；由圖7(b)可看出，KH2PO4-Na2HPO4緩沖體系的pKa接近7，是中性緩沖體系，緩沖比為1時，抗酸能力與抗堿能力相當；由圖7(c)可看出，HAc-NaAc緩沖體系的pKa=4.75，是酸性緩沖體系，緩沖比為1時，前段的抗堿能力比抗酸能力強。

每個滴定實驗重復3次，實驗的重現(xiàn)性良好。

總的來說，同一緩沖體系，當緩沖比為1時，堿性溶液、中性溶液、酸性溶液的抗堿能力與抗酸能力沒有明顯規(guī)律。并不像文獻[4]所說，“酸性緩沖溶液和堿性緩沖溶液的抗酸能力不同，一般來說，酸性緩沖溶液的抗酸能力較強”。

2.3 β-V圖變化趨勢的解讀

當外加的強酸或強堿比較少時，所有緩沖體系中的抗酸成分和抗堿成分的濃度都比較大，β先有一個比較大的值，但隨著外加的強酸或強堿的量增加時，β都會經(jīng)過一個急劇下降的過程，因為緩沖溶液的緩沖能力到了最大值后，就要下降。選擇緩沖溶液時，應該選擇β比較大的范圍。

3 題目的解答

抗酸能力的大小取決于抗酸成分即共軛堿的濃度大小，抗堿能力的大小取決于抗堿成分即共軛酸的濃度大小。依據(jù)上述結(jié)論可以很順利地解出本文開頭的題目。緩沖溶液(1)和緩沖溶液(3)的總濃度相同，它們的緩沖比分別為1和5/3，前者的抗堿能力比后者強，而抗酸能力則比后者弱；緩沖溶液(2)的總濃度和緩沖比與(1)、(3)不一樣，要比較出抗酸能力和抗堿能力只能分別比較NaAc和HAc的濃度。表2列出了3種緩沖溶液NaAc和HAc的濃度。

表2 3種緩沖溶液的NaAc和HAc的濃度

從表2中可以看出，抗酸能力的強弱順序是：緩沖溶液(2)>緩沖溶液(3)>緩沖溶液(1)，抗堿能力的強弱順序是：緩沖溶液(2)>緩沖溶液(1)>緩沖溶液(3)。

4 本文結(jié)論對緩沖溶液選擇的意義

緩沖比大的緩沖溶液的抗酸能力強，但是抗堿能力弱，緩沖比小的緩沖溶液的抗酸能力弱，但是抗堿能力強。這有點類似于“短板效應”:盛水的木桶是由許多塊木板箍成的，盛水量也是由這些木板共同決定的。若其中一塊木板很短，這塊短板就成了這個木桶盛水量的“限制因素”。而選擇緩沖溶液時，一般希望抗酸能力和抗堿能力都比較強。

盡管緩沖比為1的緩沖溶液的抗酸和抗堿能力都不是最大的，但是它們的抗酸和抗堿能力卻都是比較大的。所以綜合考慮的話，在選擇緩沖溶液時通常是選擇有合適的pKa的緩沖對，然后配制成緩沖比接近1的緩沖溶液。但是如果有所側(cè)重，比如在配位滴定中，因為M+H2Y=MY+2H+，側(cè)重抗酸能力的話，可以選擇緩沖比大、共軛堿濃度大的緩沖溶液。

參 考 文 獻

[1] 陳常興，秦子平，許新.醫(yī)學化學.第6版.北京：人民衛(wèi)生出版社，2009

[2] 孫毓慶，胡育筑.分析化學.第2版.北京：科學出版社，2006

[3] 華中師范大學,東北師范大學,陜西師范大學.分析化學.北京：高等教育出版社，2001

[4] 王克強，馮瑞英.化學通報，1990(11)：52