葉明富，方 超，徐 紅，伊廷鋒，楊新安，萬梅秀

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

關(guān)于酸堿緩沖溶液教學(xué)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(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243002;2湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000)

緩沖溶液不僅在工程技術(shù)中有重要應(yīng)用，且與人類活動也密切相關(guān)。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(xì)論述，進(jìn)而對其緩沖能力加以探討，并介紹了緩沖溶液的選擇和應(yīng)用。通過這種教學(xué)方式，調(diào)動了廣大學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)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(rèn)識是從觀察事物表象開始的。1663年，英國化學(xué)家波義耳(Robert Boyle，1627-1691)提出：具有酸味、能使藍(lán)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(lán)并能中和酸的物質(zhì)為堿。1887年，瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯(Svante August Arrhenius，1859-1927，1903年獲諾貝爾化學(xué)獎)從化學(xué)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(yīng)實質(zhì)是H+和OH-結(jié)合生成水的反應(yīng)。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(yīng)可在非水溶液中進(jìn)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(rèn)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(yīng)是質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。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(qiáng)弱。人們習(xí)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(xué)家索倫森(S?rensen)發(fā)明了pH標(biāo)度，即以氫離子濃度的負(fù)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(xué)熱力學(xué)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(xué)家能斯特(Walther Hermann Nernst, 1864-1941，1920年獲諾貝爾化學(xué)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(qiáng)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(qiáng)酸(pH﹤2)強(qiáng)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(jìn)行的實驗都要求在一定的pH值范圍內(nèi)進(jìn)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(yīng)為：

當(dāng)加入少量的強(qiáng)酸或強(qiáng)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(dāng)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(qiáng)度和緩沖能力都是一定的。

3.1 緩沖指數(shù)

溶液的緩沖強(qiáng)度用緩沖指數(shù)β表示

指的是加入強(qiáng)酸或強(qiáng)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(guān)酸堿組分分布曲線的斜率，實際應(yīng)用上可以反映溶液在制定pH下的緩沖強(qiáng)度。

一般認(rèn)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?dāng)緩沖組分濃度比相同時，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(qiáng)酸或強(qiáng)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(rèn)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(yīng)用和選擇[7-9]

由于化學(xué)實驗中反應(yīng)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(yīng)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(xué)研究等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。本文首先介紹了酸堿理論發(fā)展簡史和pH值，進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)論述，最后再討論了緩沖溶液的選擇和在實際生活中的應(yīng)用。通過這種教學(xué)方式，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，加深對于課堂內(nèi)容的印象，教學(xué)效果得到改善。

[1] 李 靜, 巢志聰, 蔡定建. 簡述酸堿理論及其應(yīng)用[J]. 山東化工, 2015, 44(5): 61-63.

[2] 雷 昭,葉明富,賈志剛, 等. 關(guān)于pH值的教學(xué)思考[J].廣州化工, 2016, 44(10): 199-200.

[3] 華東理工大學(xué)分析化學(xué)教研組, 四川大學(xué)工科化學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)基地. 分析化學(xué)[M]. 第六版. 北京：高等教育出版社，2009.

[4] 郭保章.20世紀(jì)化學(xué)史[M]. 南昌：江西教育出版社，1998.

[5] 朱文祥.緩沖溶液的機(jī)制-關(guān)于征答(17)的應(yīng)答綜述[J].大學(xué)化學(xué), 1991, 6(4): 47-49.

[6] 孟凡昌.緩沖容量的新概念[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1994, 40(4): 85-88.

[7] 李龍泉, 朱玉瑞,金 谷,等.編著.定量化學(xué)分析[M].2版. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2005.

[8] 胡其英.共軛酸堿緩沖溶液氫離子濃度、緩沖指數(shù)、敏銳指數(shù)和滴定曲線方程的無量綱形式[J].分析化學(xué), 1992, 20(8): 963-965.

[9] 王雅心,董淑英.談緩沖溶液的作用和使用中的注意事項[J].中國環(huán)境監(jiān)測, 1992, 8(5): 42-43.

[10] 彭笑剛.緩沖容量精確表達(dá)式及其應(yīng)用[J]. 大學(xué)化學(xué), 1987, 2(5): 39-41.

[11] 陳鮮麗, 鄭鋒華. 共軛酸堿對緩沖能力大小影響因素實驗初探[J]. 大學(xué)化學(xué), 2012, 27(3): 80-83.

[12] 韓金土,萬 里, 楊曉炯. 緩沖容量與pH的關(guān)系探討[J].廣州化工, 2013, 41(7): 17-18,21.

(本文文獻(xiàn)格式：葉明富，方 超，徐 紅，等.關(guān)于酸堿緩沖溶液教學(xué)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(xué)改革研究項目(2015jyxm114)；安徽工業(yè)大學(xué)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(xué)工商學(xué)院教學(xué)研究項目(201503)；安徽工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)生物學(xué)示范實驗實訓(xùn)中心；安徽工業(yè)大學(xué)精品資源共享課；安徽工業(yè)大學(xué)課程負(fù)責(zé)人項目和安徽工業(yè)大學(xué)混合式教學(xué)課程建設(shè)項目。

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

G642.0；G45

B

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