關于酸堿緩沖溶液教學思考

葉明富，方 超，徐 紅，伊廷鋒，楊新安，萬梅秀

(1.安徽工業(yè)大學 化學與化工學院, 安徽 馬鞍山 243002;2湖南人文科技學院，湖南 婁底 417000)

關于酸堿緩沖溶液教學思考

葉明富1*，方 超1，徐 紅1，伊廷鋒1，楊新安1，萬梅秀2

(1.安徽工業(yè)大學 化學與化工學院, 安徽 馬鞍山 243002;2湖南人文科技學院，湖南 婁底 417000)

緩沖溶液不僅在工程技術中有重要應用，且與人類活動也密切相關。本文首先介紹了酸堿理論及pH值，接著對緩沖溶液作用原理詳細論述，進而對其緩沖能力加以探討，并介紹了緩沖溶液的選擇和應用。通過這種教學方式，調(diào)動了廣大學生學習積極性，教學效果得到改善。

酸堿理論；pH值；緩沖溶液；緩沖指數(shù)；緩沖容量

1 酸堿理論及pH值[1-4]

人類早期對于酸堿的認識是從觀察事物表象開始的。1663年，英國化學家波義耳(Robert Boyle，1627-1691)提出：具有酸味、能使藍色石蕊變紅并能中和堿的物質(zhì)為酸；具有苦澀味、能使紅色石蕊變藍并能中和酸的物質(zhì)為堿。1887年，瑞典化學家阿倫尼烏斯(Svante August Arrhenius，1859-1927，1903年獲諾貝爾化學獎)從化學組成的角度解釋了酸堿理論：凡是在水溶液中電離產(chǎn)生的陽離子全部都是H+的物質(zhì)叫酸；電離產(chǎn)生的陰離子全部都是OH-的物質(zhì)叫堿，酸堿的反應實質(zhì)是H+和OH-結(jié)合生成水的反應。這一理論揭示了酸堿的本質(zhì)，并且通俗易懂，使得其能一直沿用至今。但是此理論只適用于水溶液體系，而許多物質(zhì)不能在水溶液中電離出H+和OH-，卻可以表現(xiàn)出酸和堿的性質(zhì)。另外，很多酸堿反應可在非水溶液中進行，更加說明這一理論的局限性。到了1923年，終于有人打破這一局面。英國的勞萊(Lowry)、丹麥的布朗斯特(Br?nsted)同時獨立提出了酸堿質(zhì)子理論。酸堿質(zhì)子理論認為：凡是能釋放出質(zhì)子的任何含氫原子的分子或離子都稱為酸；任何能與質(zhì)子結(jié)合的分子或離子都稱為堿。而酸堿解離反應是質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應。例如：

可以用溶液中H3O+或OH-的濃度大小表示溶液酸堿性的強弱。人們習慣上是以H3O+的濃度大小來描述。但是在稀溶液中，c(H3O+)的范圍在(10-1～10-14)mol·L-1之間，這么小的數(shù)值不便于書寫。所以在1909年丹麥生物化學家索倫森(S?rensen)發(fā)明了pH標度，即以氫離子濃度的負對數(shù)表示氫離子濃度大小，并將其定義為溶液的pH值。而隨著化學熱力學的發(fā)展，索倫森也將pH值的定義改為了氫離子的活度的負對數(shù)。通常情況下，pH值是一個介于0～14之間的數(shù)。pH<7時，溶液呈酸性；pH>7時，溶液呈堿性； pH=7時，溶液呈中性。但是在非水溶液或非標準溫度和壓力的條件下，pH=7并不能代表溶液一定呈中性，這需要通過計算該溶劑在該條件下的電離常數(shù)來決定pH為中性的值。實際應用中，可以用pH試紙或pH計來測定溶液的pH，從而可以計算出溶液中H3O+和OH-的濃度。

2 緩沖溶液[3-5]

緩沖溶液的概念最初是由德國物理化學家能斯特(Walther Hermann Nernst, 1864-1941，1920年獲諾貝爾化學獎)在1903年提出的，是指由弱酸及其鹽、弱堿及其鹽組成的混合溶液。這種溶液能在一定程度上抵消、減輕外加強酸堿對溶液酸堿度的影響，從而保持溶液的pH值相對穩(wěn)定，并具有抗稀釋的作用。某種意義上，強酸(pH﹤2)強堿(pH﹥12)也可以說是緩沖溶液，但其不再具有抗稀釋的作用。

很多在水溶液中進行的實驗都要求在一定的pH值范圍內(nèi)進行，利用緩沖溶液的緩沖能力就可以實現(xiàn)這一條件。而這種緩沖能力是因為共軛酸堿對的存在。例如，根據(jù)酸堿質(zhì)子理論，在HAc-NaAc這對共軛酸堿組成的溶液中存在的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應為：

當加入少量的強酸或強堿時都會被其中大量的Ac-或HAc所中和掉，而c(Ac-),c(HAc)僅稍有變化。

同時由上式可知，取決于c(HAc)/c(Ac-)大小的c(H3O+)也不會有大的變化，從而保證了溶液的pH只在小范圍內(nèi)波動。

3 緩沖能力[5-11]

緩沖溶液具有穩(wěn)定溶液pH值的作用，但是這種穩(wěn)定作用是有限度的。當加入酸、堿過多或過分稀釋時緩沖溶液的緩沖能力將消失，失去其緩沖作用。所以對任何一種緩沖溶液來說其緩沖強度和緩沖能力都是一定的。

3.1 緩沖指數(shù)

溶液的緩沖強度用緩沖指數(shù)β表示

指的是加入強酸或強堿摩爾質(zhì)量為dc時，溶液pH值的變化為dpH個單位。

從物理意義上，β是相關酸堿組分分布曲線的斜率，實際應用上可以反映溶液在制定pH下的緩沖強度。

一般認為，總濃度一定時，緩沖組分比值為1：1，即緩沖溶液pH=pKa時，緩沖指數(shù)最大?；蛘弋斁彌_組分濃度比相同時，緩沖溶液總濃度越大，緩沖指數(shù)越大。

3.2 緩沖容量

溶液的緩沖能力用緩沖容量α表示

它的物理意義是加入強酸或強堿的摩爾量為△c時溶液的pH值發(fā)生了△pH的變化。

由緩沖指數(shù)和緩沖容量可知，緩沖溶液的緩沖作用是有一個范圍存在的。通常認為緩沖溶液的有效緩沖范圍約為pH=pKa±1。pH=pKa±1時，α=0.82c，β=0.19c。

4 緩沖溶液的應用和選擇[7-9]

由于化學實驗中反應的多樣性，需要根據(jù)實際情況選擇合適的緩沖溶液。選擇的原則如下：

a.緩沖溶液不會對分析過程產(chǎn)生干擾。

b.實驗所需pH值應在緩沖溶液的緩沖范圍內(nèi)。

c.緩沖溶液需要足夠大的緩沖容量。

而在實際工作或研究中有時候需要較大的緩沖范圍，這樣單一的共軛酸堿對就很難滿足這一要求了，這時可以選用多種酸堿對組成的緩沖體系。具有不同pKa的共軛酸堿對可以在不同pH范圍發(fā)揮緩沖作用，從而提高了緩沖體系的緩沖能力。

5 結(jié)論

緩沖溶液在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、科學研究等領域均有重要應用。本文首先介紹了酸堿理論發(fā)展簡史和pH值，進而引出了緩沖溶液的概念，并對緩沖溶液的緩沖能力即緩沖指數(shù)和緩沖容量進行了詳細論述，最后再討論了緩沖溶液的選擇和在實際生活中的應用。通過這種教學方式，調(diào)動學生學習積極性，加深對于課堂內(nèi)容的印象，教學效果得到改善。

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(本文文獻格式：葉明富，方 超，徐 紅，等.關于酸堿緩沖溶液教學思考[J].山東化工，2017，46(4)：124-125.)

Teaching Considerations of the Acid-base Buffer Solution

YeMingfu1*,FangChao1,XuHong1,YiTingfeng1,YangXinan1,WanMeixiu2

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China;2.Hunan Institute of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, China)

Buffer solution plays an important role in engineering technology, and it is also closely related to human activities. In this paper, the acid-base theory and pH value are introduced at first, then the principle of buffer solution and the buffer capacity are discussed in detail, the selection and application of buffer solution are introduced in the end. Through this teaching methods, the majority of students to mobilize the enthusiasm of learning, teaching effectiveness is improved.

acid-base theory；pH value；buffer solution；buffer index；buffer capacity

2017-01-03

安徽省教學改革研究項目(2015jyxm114)；安徽工業(yè)大學研究生創(chuàng)新研究基金(2016005)；安徽省大規(guī)模在線開放課程(MOOC)示范項目(2015mooc033)；安徽工業(yè)大學工商學院教學研究項目(201503)；安徽工業(yè)大學基礎生物學示范實驗實訓中心；安徽工業(yè)大學精品資源共享課；安徽工業(yè)大學課程負責人項目和安徽工業(yè)大學混合式教學課程建設項目。

葉明富(1982—)，安徽南陵人，博士，副教授，碩士生導師，主要從事化學教學及研究工作。

G642.0；G45

B

1008-021X(2017)04-0124-02