溶液的pH值是影響化學(xué)反應(yīng)的重要條件之一，特別是生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，必須在一定的pH值溶液中才能順利進(jìn)行。人體的各種體液都需保持在一定的pH值范圍內(nèi)，才能保證機(jī)體的正常生理活動(dòng)。那么，如何控制溶液的pH值? 體液的pH值為什么能保持在一定的pH范圍內(nèi)等等? 這些問題都是本章所要討論的。學(xué)習(xí)本章的目的是掌握配制緩沖溶液所需要的知識(shí)和方法，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)有關(guān)體內(nèi)酸堿平衡理論提供必要的基礎(chǔ)知識(shí)。
第一節(jié) 緩沖作用
純水和一般溶液不易保持恒定的pH值。常溫時(shí)，純水的pH值為7.0。如果向純水中加入少量的酸或堿，pH值即發(fā)生顯著的變化。例如，向lL純水中通入0.01molHCl，即得0.01mol•L-1HCl溶液，溶液的pH值為2.0，較純水的pH值低5。同樣，在1L純水中溶解0.01molNaOH，pH值為12.0，較純水的pH值高5。
有一類溶液，加入少量酸或堿以后，pH值不發(fā)生明顯的變化。例如，HAc—NaAc混合溶液、NaH2PO4—Na2HPO4混合液以及血液等就是這樣的溶液。當(dāng)在1L含有0.lmol醋酸和0.1mol醋酸鈉的混合液中，加入l0mL lmol • L-1HCl溶液(相當(dāng)于通入0.01molHCl)后，溶液的pH值由4.75變?yōu)?.66，只下降了0.09。像這樣能夠抵制外加少量酸或堿而保持溶液的pH值不發(fā)生明顯改變的作用叫緩沖作用(buffer action)。具有緩沖作用的溶液叫緩沖溶液(buffersolution)。上述HAc—NaAc混合溶液、NaH2PO4—Na2HPO4混合液及血液等都是緩沖溶液。
一、緩沖溶液的組成
一種緩沖溶液，通常必須同時(shí)含有兩種物質(zhì)。一種是能夠抵制外加H醫(yī).學(xué)全在線payment-defi.com+的成分，又叫抗酸成分（anti-acid component)；另一種是能夠抵制外加OH-的成分，又叫抗堿成分（anti-basecomponent)。這兩種成分合稱為緩沖系（buffer system)或緩沖對(duì)（buffer pair)。
按照酸堿質(zhì)子理論，緩沖系為共軛酸堿對(duì)。其中共軛酸為抗堿成分，共軛堿為抗酸成分。緩沖系主要有兩種類型。
① 共軛酸堿對(duì)
如HAc-NaAc、H2CO3-NaHCO3、H2C8H4O4（鄰苯二甲酸)-KHC8H4O4（鄰苯二甲酸氫鉀)、NH3-NH4Cl、CH3NH2-CH3NH3Cl、C6H5NH2-C6H5NH3Cl以及H2NC(CH2OH)3[三（羥甲基)氨基甲烷]，Tris-ClH3N-C(CH2OH)3等。
②兩性物質(zhì)
如NaHCO3-Na2CO3、NaH2PO4-Na2HPO4、Na2HPO4-Na3PO4、KHC8H4O4（鄰苯二甲酸氫鉀)-NaKC8H4O4（鄰苯二甲酸鉀鈉)、NaH2C6H5O7(檸檬酸二氫鈉)-Na2HC6H5O7（檸檬酸氫二鈉)等。
溶液中進(jìn)行的許多化學(xué)反應(yīng)，特別是生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，往往需要在一定的pH值條件下才能正常進(jìn)行。人的各種體液都有一定的pH值，而且不容易改變，因此能保證人體正常的生理活動(dòng)。人的體液之所以具有一定的pH值，是由于它本身就是緩沖溶液，具有抵抗外來少量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的能力，從而能夠穩(wěn)定溶液的pH值。
二、緩沖溶液的作用原理
現(xiàn)以HAc–NaAc緩沖溶液為例，說明緩沖溶液之所以能抵抗少量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿使pH穩(wěn)定的原理。醋酸是弱酸，在溶液中的離解度很小，溶液中主要以HAc分子形式存在，Ac-的濃度很低。醋酸鈉是強(qiáng)電解質(zhì)，在溶液中全部離解成Na+和Ac-，由于同離子效應(yīng)，加入
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在HAc–NaAc緩沖溶液中，存在著如下的化學(xué)平衡：
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在緩沖溶液中加入少量強(qiáng)堿（如NaOH)，則增加了溶液中OH-的濃度。假設(shè)不發(fā)生其他反應(yīng)，溶液的pH值應(yīng)該增大。但由于溶液中的H+立即與加入的OH-結(jié)合成更難離解的H2O，這就破壞了HAc原有的離解平衡，促使HAc的離解平衡向右移動(dòng)，即不斷向生成H+和Ac-的方向移動(dòng)，直至加入的OH-絕大部分轉(zhuǎn)變成H2O，建立新的平衡為止。因?yàn)榧尤氲腛H-少，溶液中抗堿成分即共軛酸HAc的濃度較大，因此溶液的pH值不發(fā)生明顯升高。
在溶液稍加稀釋時(shí)，其中[H+]雖然降低了，但[Ac-]同時(shí)也降低了，同離子效應(yīng)減弱，促使HAc的離解增加，所產(chǎn)生的H+可維持溶液的pH值不發(fā)生明顯的變化。所以，緩沖溶液具有抗酸、抗堿和抗稀釋作用。
第二節(jié) 緩沖溶液的pH值
一、亨德森-哈塞爾巴赫方程式
由于緩沖作用是以緩沖對(duì)的共軛酸堿間質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡為其特征的，因此緩沖溶液的pH值必然和共軛酸堿質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡常數(shù)及其濃度有關(guān)。如前所述，在緩沖溶液中共軛酸堿對(duì)之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡，可用通式表示如下：
HBH+ +B-
（3-1)
上式為計(jì)算緩沖溶液pH值的亨德森-哈塞爾巴赫（Henderson-Hasselbach)方程式，簡(jiǎn)稱為亨德森方程式。式中p
根據(jù)式3-1可知緩沖溶液有如下的性質(zhì)：
① 緩沖溶液的pH值取決于共軛酸的p
② 對(duì)于一個(gè)給定的緩沖系來說，pKa值是一定的，pH值取決于緩沖比。如果改變緩沖比，可以在一定范圍內(nèi)配制成不同pH值的緩沖溶液。
③ 當(dāng)緩沖比等于1時(shí)，緩沖溶液的pH值和pKa值相等，即pH=pKa。
④稀釋緩沖溶液時(shí)，緩沖比基本不變，緩沖溶液的pH值也基本不變。所以緩沖溶液除具有抗酸、抗堿作用外，還具有抗稀釋作用。因?yàn)榫彌_溶液的[H+]濃度小，實(shí)際計(jì)算時(shí)可以近似用
（3-2)
二、緩沖溶液pH值的計(jì)算
利用緩沖溶液pH值計(jì)算公式，可以計(jì)算各種緩沖溶液的pH值。
例3-1 0.10 mol • L-1HAc溶液30mL和0.l0mol • L-1NaAc溶液l0mL混合，計(jì)算溶液的pH值。
解： 已知pKa(HAc)= 4.75 , 根據(jù)式3-2得
例3-2 0.30mol • L-1HAc溶液100mL和0.10mol • L-1NaOH溶液100mL混合，制成緩沖溶液，計(jì)算溶液的pH值。
解： HAc + NaOH NaAc + H2O
從反應(yīng)方程式可知，反應(yīng)后生成l0mmolNaAc，溶液中剩余20mmolHAc。 即緩沖液中
第三節(jié) 緩沖容量
一、緩沖容量
任何緩沖溶液，只能抵抗少量強(qiáng)酸或強(qiáng)堿而保持溶液的pH值基本不變。如果加入的酸堿量過大，使緩沖溶液中的抗酸成分或抗堿成分消耗將盡時(shí)，緩沖溶液會(huì)失去緩沖能力，所以每種緩沖溶液具有一定而且有限的緩沖能力。1922年范斯萊克(Vanslyke)提出以緩沖容量(buffer capacity)作為衡量緩沖溶液緩沖能力大小的尺度。所謂緩沖容量β是指使單位體積(1L或lmL)緩沖溶液的pH值改變1，所需加入H+或OH-的物質(zhì)的量。用數(shù)學(xué)式表示為:
(3-3)
其中為單位體積緩沖溶液pH值改變
pH時(shí)所加入H+或OH-的物質(zhì)的量。
二、 影響緩沖容量的因素
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上式表明， 緩沖容量取決于緩沖溶液的總濃度（
1．緩沖溶液總濃度對(duì)緩沖容量的影響
由
表3-1 緩沖容量與總濃度的關(guān)系
| 緩沖溶液 | c /mol·L-1 | β |
| I II III IV V | 0.050 0.10 0.15 0.20 0.30 | 0.0029 0.058 0.086 0.115 0.173 |
2．緩沖比對(duì)緩沖容量的影響
當(dāng)緩沖溶液的總濃度一定時(shí)，緩沖容量的大小隨緩沖比的改變而改變。表3-2列出了總濃度為0.10mol·L-1HAc-NaAc緩沖溶液的緩沖容量與緩沖比的關(guān)系。
由表3-2可以看出：
① 總濃度為0.10mol·L-1HAc-NaAc緩沖溶液，緩沖比不同時(shí)，緩沖容量不同。當(dāng)緩沖
表3-2 緩沖容量與緩沖比的關(guān)系
| 緩沖溶液 | [B-]/[HB] | β |
| I II III IV V VI VII | 1:19 1:9 1:4 1:1 4:1 9:1 19:1 | 0.0109 0.0207 0.0368 0.0576 0.0368 0.0207 0.0109 |
比為l，即[Ac-]/[HAc]=1:1時(shí)，緩沖容量β達(dá)極大值。此時(shí)緩沖溶液的pH=pKa。
② 總濃度不變，緩沖比偏離1越遠(yuǎn)時(shí)，緩沖容量越小。當(dāng)緩沖比為1/9或9/1，即緩沖溶液的pH值與pKa值相差近1，緩沖容量約為極大值的1/3。如果緩沖比小于1/10或大于10/1，緩沖溶液pH值與pKa值相差1以上時(shí)，其緩沖容量已很小，通常認(rèn)為它不再具有緩沖能力。因此緩沖溶液的緩沖范圍為pH=pKa±1。不同緩沖系的緩沖溶液，由于其pKa值不同，因而有不同的pH緩沖范圍。
強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液雖然不屬于我們所討論的緩沖溶液類型，但它們的緩沖能力很強(qiáng)，甚至比普通的緩沖溶液的緩沖能力還要強(qiáng)。這是因?yàn)樵趶?qiáng)酸中有高濃度的H+，在強(qiáng)堿中有高濃度的OH-，當(dāng)加入少量堿或酸時(shí)，不足以明顯地改變?nèi)芤褐衃H+]和[OH-]，因而溶液的pH值不會(huì)明顯改變。
三、緩沖溶液的配制
在實(shí)際工作中，常要配制一定pH值的緩沖溶液。配制時(shí)應(yīng)按照下列原則進(jìn)行：
① 選擇適當(dāng)?shù)木彌_系
為使緩沖溶液具有較大的緩沖容量，所選緩沖系共軛酸的p
② 緩沖溶液要有適當(dāng)?shù)目倽舛?/p>
為了使緩沖溶液具有足夠大的緩沖容量，所配制的緩沖溶液要有一定的總濃度。通常緩沖溶液總濃度在0.05~0.2 mol·L-1間為宜。
具體配制時(shí)，為了方便，若所用共軛酸和共軛堿的濃度是相等的。根據(jù)公式3-2可推出下列公式進(jìn)行計(jì)算。
例3-3 配制pH=5.10緩沖溶液100ml，需要0.10 mol·L-1HAc和0.10 mol·L-1NaAc的體積各多少？
解：設(shè)需HAc溶液的體積為Va，NaAc溶液的體積為
Va + Vb =100
Va = 100 - Vb
Vb=69（mL) ,
按計(jì)算結(jié)果，量取0.10 mol·L-1HAc 3l mL和 0.10 mol·L-1NaAc 69mL相混合，即得所需緩沖溶液。
四、 緩沖溶液在醫(yī)學(xué)上的意義
生物有機(jī)體要正常地進(jìn)行生命活動(dòng)，首先必須具有一個(gè)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境， 這個(gè)內(nèi)環(huán)境包括具有一定pH值的各種體液。 人體內(nèi)以酶為催化劑的各種生物化學(xué)變化只能在合適的pH值下進(jìn)行。因此各種體液都要維持一定的pH值。 例如，正常人血液的pH值保持在7.36~7.44之間。若pH值低于7.36就會(huì)出現(xiàn)酸中毒，嚴(yán)重的酸中毒可危及生命。相反，血液pH值高于7.44會(huì)造成堿中毒。肌體在新陳代謝過程中不斷產(chǎn)生酸性物質(zhì)(磷酸、硫酸、乳酸、乙酰乙酸、β-羥基丁酸)和堿性物質(zhì)(碳酸氫鹽、磷酸氫二鈉等)，此外還有相當(dāng)數(shù)量的酸性和堿性物質(zhì)隨食物進(jìn)入肌體內(nèi)。肌體能夠保持pH值在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)。其中體液的緩沖能力起著十分重要的作用。血液是一種緩沖溶液，其中有下列緩沖對(duì)：
（Hb為血紅蛋白，HbO2為氧合血紅蛋白)
血漿中以H2CO3-HCO-3緩沖系最為重要。在血漿中H2CO3存在下述平衡。
CO2（溶解)+ H2O H2CO3
H+ + HCO3-
K1=2.58×10-3 ， K2=1.72×10-4
正常血漿中[HCO3-]=24mmol· L-1，血漿中CO2的濃度取決于CO2分壓(正常值為5.333kPa)和CO2在血漿中的溶解值(正常值為2.25×10-4mo1·L-1·kPa-1)。平均為[CO2(溶解)]=1.2 mmol·L-1。即正常血漿中[H2CO3]/[CO2]=20:1。人體血漿的溫度為37℃，血漿的離子強(qiáng)度為0.16mol·L-1，經(jīng)校正后血漿的pH值為7.40。
前已述及，緩沖溶液的緩沖能力在pKa±1范圍內(nèi)，此時(shí)的緩沖比是10至1/10之間。那么，為什么血漿中碳酸氫鹽緩沖系的緩沖比為20/1時(shí)，還具有緩沖能力呢?這是因?yàn)樵谡５纳顒?dòng)中，血液中CO2和HCO3-濃度可以通過肺的呼吸和腎的排泄功能進(jìn)行調(diào)節(jié)，使[HCO3-]/[CO2(溶解)]始終保持20/1，因而使血液的pH值相對(duì)地穩(wěn)定在7.40。用于治療和預(yù)防疾病的藥物溶液的pH值直接影響著它的作用。如抗生素、生物制品等，血液pH值過高或過低會(huì)發(fā)生水解、沉淀等變化，從而降低以至喪失藥效。例如眼藥水及肌肉注射液偏酸或偏堿時(shí)會(huì)引起劇烈的疼痛，甚至導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。
醫(yī)學(xué)及其密切相關(guān)的生物科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，如分離和提純蛋白質(zhì)、核酸及遺傳基因等，都需要在極精確的pH值控制下進(jìn)行電泳。微生物的培養(yǎng)、組織切片和細(xì)菌的染色，都需要在緩沖溶液中進(jìn)行。總之，緩沖溶液在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)中，應(yīng)用都很廣泛。
習(xí) 題
1. 在1L 1.0×10-5mol·L-1 NaOH溶液中，加入0.001molNaOH或HCl，溶液的pH怎樣改變？
2. 設(shè)有下列三種由乳酸和乳酸鈉組成的緩沖溶液，分別計(jì)算它們的pH值（25℃時(shí)乳酸的Ka =1.4×10-4)。
（1)1L溶液中含有0.1mol乳酸和0.1mol乳酸鈉。
（2)1L溶液中含0.1mol乳酸和0.01mol乳酸鈉。
（3)1L溶液中含0.01mol乳酸和0.1mol乳酸鈉。
3. 正常血漿中具有H2PO4-－HPO42-緩沖系，H2PO4-的pKa2 = 6.8（校正后)，已知正常血漿中[HPO42-][H2PO4-]為4/1，試求血漿的pH值;尿中[HPO42-]/[H2PO4-]為1/9，試求尿的pH值。
4. 將0.15mol·L-1 NaOH溶液0.1mL加于10mL pH值為4.74的緩沖溶液中，溶液的pH值變?yōu)?.79，試求此緩沖溶液的緩沖容量。（忽略體積變化)。
5. 用同濃度的 HAc和NaAc溶液配制緩沖溶液，使溶液[H+]為2.0×10-6mol·L-1，問HAc和NaAc溶液的體積比應(yīng)該是多少？
6． 為了配制pH = 7.6的緩沖溶液100mL，應(yīng)該用0.1mol·L-1的KH2PO4溶液及0.1mol·L-1的K2HPO4溶液各多少毫升？
7. 設(shè)血清中H2CO3的濃度為0.00125mol·L-1，計(jì)算pH值為7.4時(shí)血清中HCO3-的濃度（校正后H2CO3的pKa1= 6.10)。
