醫用化學/緩衝溶液PH的計算

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(一)亨德森方程式

在緩衝溶液例如HOAc-NaOAc溶液中,有以下的離解平衡:

Gmoeattq.jpg


等式兩邊各取負對數,則

Gmoeas29.jpg


即 Gmoeahla.jpg


HOAc的離解度比較小,由於溶液中大量的OAc-對HOAc所產生的同離子效應,使HOAc的離解度變得更小。因此上式中的[HOAc]可以看作等於HOAc的總濃度[共軛酸](即緩衝溶液中共軛酸的濃度)。同時,在溶液中NaOAc全部離解,可以認為溶液中[OAc-]等於NaOAc的總濃度[共軛鹼](即配製的緩衝溶液中共軛鹼的濃度)。將[共軛酸]和[共軛鹼]代入上式,則得

Gmoeaql6.jpg (3-11)

上式稱為亨德森-哈塞爾巴赫方程式,簡稱為亨德森(Henderson)方程式。它表明緩衝溶液的

PH值決定於共軛酸的離解常數Ka和組成緩衝溶液的共軛鹼與共軛酸濃度的比值。對於一定的共軛酸,PKa為定值,所以緩衝溶液的PH就決定於兩者濃度的比值即緩衝比。當緩衝溶液加水稀釋時,由於共軛鹼和共軛酸的濃度受到同等程度的稀釋,緩衝比是不變的;在一定的稀釋度範圍內,緩衝溶液的PH值實際上也幾乎不變。

式(3-11)中的濃度項指的是混合溶液中共軛酸鹼的濃度,而不是混合前的濃度.若混合前共軛酸的量濃度是c酸,體積是V酸,共軛鹼的量濃度是c鹼,體積是V鹼,則式(3-11)可改寫成:

Gmoeagky.jpg (3-12)

若兩種溶液的量濃度相等,則

Gmoeaill.jpg (3-13)

若是等體積的兩溶液相混合,則

Gmoeafkh.jpg (3-14)

以上幾種形式都稱為亨德森方程式,可用以計算各種組成類型緩衝溶液的PH近似值。當用於弱酸及其對應的鹽組成的緩衝溶液的PH值時,PKa即弱酸的離解常數負對數(見書後附表),[共軛鹼]即[弱酸鹽]。當用於多元弱酸的酸式鹽及其對應的次級鹽組成緩衝溶液的PH值時,共軛酸即酸式鹽,pKa即該酸式鹽負離子的離解常數的負對數,共軛鹼即該酸式鹽的次級鹽。例如,NaHCO3-Na2CO3緩衝溶液的PH值:

Gmoeajtj.jpg (3-15)

式中PKa即H2CO3的PKa2。

同樣,NaH2PO4-Na2HPO4緩衝溶液的PH值:

Gmoeahla.jpg (3-16)

式中PKa為H3PO4的PKa2。

弱鹼和它的共軛酸緩衝溶液的PH值也可根據式(3-11)計算。

(二)緩衝溶液PH值計算舉例

例5 0.1mol.L-1的HOAc500mL與0.2mol.L-1的NaOAc250mL配成緩衝溶液,計算溶液的pH值。

解:把所給條件代入式(3-11),由書後附表查得HOAc的pKa=4.75,則得:

Gmoealvf.jpg


例6 將0.3mol.L-1HOAc溶液10mL與0.1mol.L-1NaOH溶液10mL混合後製成緩衝溶液,試計算這個溶液的pH值(2.5℃時,HOAc時pKa=4.75)。

Gmoeaph9.jpg


從反應看出HOAc有1/3被OH-中和,生成OAc-和H2O,溶液的總體積為20mL。

Gmoeakva.jpg


例7 H2PO2-4已知的pKa=7.21,求濃度為0.100mol.L-1、pH7.40的磷酸鹽緩衝溶液的緩衝比以及共軛鹼HPO2-4和共軛酸H2PO2-4的濃度。

解:設[H2PO2-4]為χmol.L-1,因緩衝溶液的總濃度(共軛酸濃度+共軛鹼濃度)為已c=0.100mol.L-1,故[H2PO2-4]=(0.100-χ)mol.L-1

根據式(3-11)或式(3-14):

Gmoeao4u.jpg


緩衝比為 Gmoeamu0.jpg


χ=0.061,[HPO2-4]=0.061mol.L-1

0.100- χ=0.100-0.061=0.039,[ H2PO2-4]=0.039mol.L-1

32 緩衝溶液與緩衝作用原理 | 緩衝容量與緩衝範圍 32
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