醫用化學/水的離子積和溶液的PH值

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醫用化學

PH值與緩衝溶液
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- 酸鹼指示劑
- 鹽類溶液的PH值
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一、水的離子積

水是一種既能釋放質子也能接受質子的兩性物質。水在一定程度上也微弱地離解，質子從一個水分子轉移給另一個水分子，形成H3O+和OH-。

達到平衡時，可得水的離解常數Ki

或［H₂O⁺］［OH^-］=K₁［H₂O］²

由於水的離解度極小，［HO］數值可以看作是一個常數，令K₁［H₂O］²等於另一新常數K_w，則

［H₃O⁺］［OH^-］=K_w

K_w稱為水的離子積常數，簡稱水的離子積。上式表示在一定溫度時，水中氫離子濃度與氫氧離子濃度的乘積為一常數（表3-1）。25℃時，由實驗測出在純水中［H3O+］和［OH-］各為1.0×10-‑7mol.L-1。通常將水合離子H3O+簡寫為H+，這樣，在常溫時：

表3-1　不同濕度時水的離子積

溫度/℃	KW	I溫度/℃	KW
0	1.2×10-15	50	5.5×10-14
10	3.0×10-15	60	9.6×10-14
20	6.8×10-15	70	1.6×10-18
25	1.0×10-14	80	2.5×10-13
30	1.5×10-14	90	3.8×10-13
40	2.9×10-14	100	5.5×10-13

K=1.0*10^-7*1.0*10^-7=1.0*10¹⁴

［H⁺］［OH^-］=1.0*10^-14^(3-2)

由於水離解時要吸收大量的熱，所以溫度升高，水的離解度和KW也相應地增大。

水的離子積原理不僅適用於純水，也適用於一切稀的水溶液。在任何稀的水溶液中，不論［H+］和［OH-］怎樣改變，它們的乘積總是等於KW。

二、溶液的PH值

在純水或中性溶液中，25℃時

當向水中加入酸時，溶液中［H+］就會增大，設達到新的平衡時該溶液的［H+］為1.0×10-2mol.L-1,因［H+］［OH-］=1.0×10-14,則

可見,在酸性溶液中,［H+］＞1.0×10-7 mol.L-1,而［OH-］＜1.0×10-7 mol.L-1.

如果向純水中加入鹼時,溶液中［OH-］就會增大,設達到新的平衡時該溶液的［OH-］為1.0×10-2mol.L-1,同理計算出［H+］=1.0×10-12 mol.L-1。可見,在鹼性溶液中［OH-］＞1.0×10-7mol.L-1,而［H+］＜1.0×10-7 mol.L-1。由上述三種情況可知：

在純水或中性溶液中　［H+］=1.0×10-7 mol.L-1=［OH-］

在酸性溶液中［H+］＞1.0×10-7mol.L-1＞［OH-］

在鹼性溶液中［H+］＜1.0×10-7mol.L-1＜［OH-］

當然，［H+］或［OH-］都可用來表示溶液中的中性、酸性或鹼性，但實際應用中多採用［H+］來表示。但是，在生物學與醫學上許多重要溶液的［H+］往往是一個很小的數值，而且帶有負指數，用［H+］表示溶液的酸鹼性不方便。例如，人的血液［H+］為0.0000000398mol.L-1,即3.98×10-8 mol.L-1,血液究竟是酸性還是鹼性,不容易看清楚。索侖生（Sorensen）首先提出用PH值表示水溶液的酸鹼性。

溶液的PH值是氫離子濃度的負對數值。

它的數學表示式為：pH=-lg［H⁺］

即　［H⁺］=10-^pH^（3-3）嚴格地說，考慮活度時：

Pα+=lgαH+　（3-4）

必須注意，PH值每相差一個單位時，其［H+］相差10倍；PH值相差二個單位時，［H+］相差100倍；依此類推。

用PH值表示稀的水溶液的酸鹼性，則有「

在純水或中性溶液中，　［H+］=1.0×10-7 mol.L-1　PH=7

在酸性溶液中，　［H+］＞1.0×10-7mol.L-1　PH＜7 ，PH越小，則酸性越強。

在鹼性溶液中，　［H+］＜1.0×10-7 mol.L-1 PH＞7，PH越大，則鹼性越強。

和PH相仿，［OH-］和KW也可用它們的負對數來表示，即

pOH=-lg［OH^-］　（3-5）

pK_w=-lgK_w　（3-6）

由於在25℃時，［H+］［OH-］=KW=1.0×10-14

將方程兩邊取負對數，則得

-lg［H⁺］-lg［OH^-］=-lgK_w=-lg1.0*10^-14

所以

pH+pOH=pK_w=14　(3-7)

水溶液中［H+］，［OH-］，PH，POH值與溶液酸鹼性的關係如表3-2。

表3-2 ［H+］，［OH-］，PH，POH值與溶液酸鹼性的關係

［H+］	100	10-1	10-2	10-3	10-4	10-5	10-6	10-7	10-8	10-9	10-10	10-11	10-12	10-13	10-14
PH	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
的酸鹼性	中酸性逐漸增強性鹼性逐漸增強
POH	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
［OH-］	10-14	10-13	10-12	10-11	10-10	10-9	10-8	10-7	10-6	10-5	10-4	10-3	10-2	10-1	100

在實際應用中，PH值一般只限於0-14範圍內。當　［H+］或［OH-］大於（即100）時，就不再採用PH值，而仍用［H+］或［OH-］表示溶液的酸鹼性。

必須注意，用PH值表示的是溶液的酸度或有效酸度而不是酸的濃度。酸度或有效酸度是指溶液中H+濃度，嚴格地說是指H+的活度，是指已離解部分酸的濃度。酸的濃度也稱總酸度或分析濃度，它是指在1升溶液中所含酸的物質的量，包括已離解和未離解兩部分酸的總濃度，其大小要用滴定分析來確定。酸度或有效酸度則用PH試紙或PH計來測定。潛在酸度是指未離解部分的濃度，即總酸度與有效酸度之差。例如，0.01mol.L-1HCL和0.01 mol.L-1HOAc的濃度相同,但有效酸度不同。0.01 mol.L-1HCL溶液總酸度為0.01mol.L-1,其有效酸度［H+］也是相同數值,25℃時,總酸度為0.01mol.L-1的HOAc溶液,其有效酸度［H+］則僅為4.2×10-4mol.L-1。

例1 分別求出0.1mol.L^-1　HCl溶液和0.01mol.L^-1　HOAc溶液的pH值，已知其［H⁺］分別為0.01mol.L^-1和4.2*10^-4mol.L^-1。

解：HCl溶液的pH=-lg0.01=-lg10^-2=2.0

HOAc溶液的pH=-lg(4.2*10^-4)

=［0.62+(-4)］

=3.38

例2　已知某溶液的pH=4.60,計算該溶液的氫離子濃度。

解：-lg［H⁺］=pH=4.60

lg［H⁺］=4.60=-5+0.40=5.40

查0.4的反數為2.512，故

［H⁺］=2.512*10^-5mol.L^-1

三、PH值在醫學上的應用

醫學上常用PH來表示體液的酸鹼性（見表3-3）。PH值在醫學上具有很重要的意義，例如，正常人血漿的PH值相當恆定，保持在7.35-7.45之間，如果血液的PH值大於7.5,在臨床上就表現出明顯的鹼中毒.反之,當血液的PH值小於7.3時，則表現出明顯的酸中毒。

測定溶液中PH值的方法很多，臨床上常用PH試紙測定病人尿液的PH值。更為精確的測定PH值，要使用PH計。

表3-3 人體各種體液的PH值

體液	PH	體液	PH
血清	7.35～7.45	大腸液	8.3～8.4
成人胃液	0.9～1.5	乳	6.6～6.9
嬰兒胃液	5.0	淚	7.4
唾液	6.35～6.85	尿	4.8～7.5
胰液	7.5～8.0	腦脊液	7.35～7.45
小腸液	7.6左右