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緩衝液 Buffered Solution 2-1
2011/06/10 08:47
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日常生活最重要的緩衝液是人類的血液,血液吸收生物反應過程中產生的酸與鹼而沒有改變pH值。血液的pH值穩定是非常重要的,因為細胞只能在很狹窄的pH範圍內生存。

化學原理啟迪189

1.     緩衝溶液:當溶液添加氫氧根離子質子時,這種溶液能夠阻止pH值改變。

2.     日常生活最重要的緩衝液是人類的血液,血液吸收生物反應過程中產生的酸與鹼而沒有改變pH值。血液的pH值穩定是非常重要的,因為細胞只能在很狹窄的pH範圍內生存。

3.     緩衝溶液分為幾種:含有弱酸和它的鹽類(例如,HFNaF)或弱鹼和它的鹽類 (例如,NH3NH4Cl)。只要選擇的成分恰當,溶液就可以被緩衝在任何的pH值上。

4.     我們會先研究平衡計算。然後用這些結果說明,緩衝溶液如何在溶液增加酸或鹼的時候,抗拒pH值改變。

5.     【範例】含有0.50M醋酸的緩衝溶液(HC2H3O2, Ka1.8×105)並且0.50M醋酸鹽(NaC2H3O2

題目a.計算溶液的pH值。

6.     溶液中的主要物質是 

7.     分析溶液的成分會得到一個結論,醋酸的解離平衡牽涉到HC2H3O2C2H3O2,它們控制溶液的pH

HC2H3O2 (aq) ←→ H+(aq) + C2H3O2(aq)

Ka1.8×105[H+][ C2H3O2][HC2H3O2]

8.     反應前後,各物質的濃度如下 

9.     然後計算

Ka 1.8×105[H+][ C2H3O2][HC2H3O2]

=(x)(0.50+x0.50xx)(0.500.50

因此 x1.8×105

這個近似值是可信的(誤差範圍在5%以內),所以

10.  所以,這個溶液的質子濃度[H+]1.8×105M 並且pH4.74

11.  題目b.0.010mol的固體NaOH加入1.0L的緩衝液,計算pH值有何改變。再把結果與0.010mol的固體NaOH加入1.0L水,造成的pH值加以比較。

12.  【解題】因為NaOH固體加入溶液中會完全解離,反應前溶液中的主要物質是HC2H3O2,  Na+,  C2H3O2  , OH H2O。特別留意,溶液含有大量的強鹼:氫氧根離子OH,非常會吸引質子酸來結合。

13.  最佳的質子酸來源是醋酸,所以會發生以下反應

OH +  HC2H3O2    H2O + C2H3O2  

14.  雖然醋酸是弱酸,但因為氫氧根離子OH是非常強的強鹼,因此以上的反應基本上會進行到「氫氧根離子」反應物完全消耗掉為止、會完全反應。

15.  研究這個問題最好的方法是依循以下二個步驟:(1)假設反應會完全,然後進行化學計量的計算。(2)進行化學平衡計算。

16.  1)化學計量的計算。反應如下:

特別留意0.01molHC2H3O2,因為增加OH而被轉換0.01molC2H3O2

17.  2)平衡問題。OHHC2H3O2的完全反應進行以後,溶液中的主要物質是:HC2H3O2,  Na+,  C2H3O2   H2O

主要的平衡反應牽涉到醋酸HC2H3O2的解離。

18.  平衡問題非常類似問題a。差別是增加0.01molOH會消耗掉一些HC2H3O2,並且製造出一些C2H3O2,產生以下的濃度 

特別留意初始濃度的定義,是依據OH消耗掉而整個系統還沒有達成平衡的狀態。

19.  按照一般的計算程序,得到

Ka=1.8×105[H+][C2H3O2][HC2H3O2]

=(x)(0.51x)/(0.49x)≒(x)(0.51)/0.49x

 x1.7×105

20.  以上的近似值是可信的(誤差範圍在5%以內),所以

[H+]x1.7×105  並且  pH4.76

21.  緩衝溶液增加0.01molOH pH值的改變幅度

溶液只增加0.02pH單位。

22.  現在我們來比較在1.0L的水裡面直接加0.01NaOH,得到0.01M NaOH。在這種情況下,[OH]0.01M 並且

[H+]=Kw[OH]=(1.0×1014)/(1.0×102)=1.0×1012

pH12.00

23.  水增加0.01molNaOH造成的pH改變幅度

12.007.00+5.00

增加5.00pH單位。

24.   兩相比較之下,就可以知道緩衝溶液對抗pH值的能力有多強。

翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles

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