关于酸碱缓冲溶液教学思考

叶明富，方 超，徐 红，伊廷锋，杨新安，万梅秀

(1.安徽工业大学 化学与化工学院, 安徽 马鞍山 243002;2湖南人文科技学院，湖南 娄底 417000)

关于酸碱缓冲溶液教学思考

叶明富1*，方 超1，徐 红1，伊廷锋1，杨新安1，万梅秀2

(1.安徽工业大学 化学与化工学院, 安徽 马鞍山 243002;2湖南人文科技学院，湖南 娄底 417000)

缓冲溶液不仅在工程技术中有重要应用，且与人类活动也密切相关。本文首先介绍了酸碱理论及pH值，接着对缓冲溶液作用原理详细论述，进而对其缓冲能力加以探讨，并介绍了缓冲溶液的选择和应用。通过这种教学方式，调动了广大学生学习积极性，教学效果得到改善。

酸碱理论；pH值；缓冲溶液；缓冲指数；缓冲容量

1 酸碱理论及pH值[1-4]

人类早期对于酸碱的认识是从观察事物表象开始的。1663年，英国化学家波义耳(Robert Boyle，1627-1691)提出：具有酸味、能使蓝色石蕊变红并能中和碱的物质为酸；具有苦涩味、能使红色石蕊变蓝并能中和酸的物质为碱。1887年，瑞典化学家阿伦尼乌斯(Svante August Arrhenius，1859-1927，1903年获诺贝尔化学奖)从化学组成的角度解释了酸碱理论：凡是在水溶液中电离产生的阳离子全部都是H+的物质叫酸；电离产生的阴离子全部都是OH-的物质叫碱，酸碱的反应实质是H+和OH-结合生成水的反应。这一理论揭示了酸碱的本质，并且通俗易懂，使得其能一直沿用至今。但是此理论只适用于水溶液体系，而许多物质不能在水溶液中电离出H+和OH-，却可以表现出酸和碱的性质。另外，很多酸碱反应可在非水溶液中进行，更加说明这一理论的局限性。到了1923年，终于有人打破这一局面。英国的劳莱(Lowry)、丹麦的布朗斯特(Brønsted)同时独立提出了酸碱质子理论。酸碱质子理论认为：凡是能释放出质子的任何含氢原子的分子或离子都称为酸；任何能与质子结合的分子或离子都称为碱。而酸碱解离反应是质子转移反应。例如：

可以用溶液中H3O+或OH-的浓度大小表示溶液酸碱性的强弱。人们习惯上是以H3O+的浓度大小来描述。但是在稀溶液中，c(H3O+)的范围在(10-1～10-14)mol·L-1之间，这么小的数值不便于书写。所以在1909年丹麦生物化学家索伦森(Sørensen)发明了pH标度，即以氢离子浓度的负对数表示氢离子浓度大小，并将其定义为溶液的pH值。而随着化学热力学的发展，索伦森也将pH值的定义改为了氢离子的活度的负对数。通常情况下，pH值是一个介于0～14之间的数。pH<7时，溶液呈酸性；pH>7时，溶液呈碱性； pH=7时，溶液呈中性。但是在非水溶液或非标准温度和压力的条件下，pH=7并不能代表溶液一定呈中性，这需要通过计算该溶剂在该条件下的电离常数来决定pH为中性的值。实际应用中，可以用pH试纸或pH计来测定溶液的pH，从而可以计算出溶液中H3O+和OH-的浓度。

2 缓冲溶液[3-5]

缓冲溶液的概念最初是由德国物理化学家能斯特(Walther Hermann Nernst, 1864-1941，1920年获诺贝尔化学奖)在1903年提出的，是指由弱酸及其盐、弱碱及其盐组成的混合溶液。这种溶液能在一定程度上抵消、减轻外加强酸碱对溶液酸碱度的影响，从而保持溶液的pH值相对稳定，并具有抗稀释的作用。某种意义上，强酸(pH﹤2)强碱(pH﹥12)也可以说是缓冲溶液，但其不再具有抗稀释的作用。

很多在水溶液中进行的实验都要求在一定的pH值范围内进行，利用缓冲溶液的缓冲能力就可以实现这一条件。而这种缓冲能力是因为共轭酸碱对的存在。例如，根据酸碱质子理论，在HAc-NaAc这对共轭酸碱组成的溶液中存在的质子转移反应为：

当加入少量的强酸或强碱时都会被其中大量的Ac-或HAc所中和掉，而c(Ac-),c(HAc)仅稍有变化。

同时由上式可知，取决于c(HAc)/c(Ac-)大小的c(H3O+)也不会有大的变化，从而保证了溶液的pH只在小范围内波动。

3 缓冲能力[5-11]

缓冲溶液具有稳定溶液pH值的作用，但是这种稳定作用是有限度的。当加入酸、碱过多或过分稀释时缓冲溶液的缓冲能力将消失，失去其缓冲作用。所以对任何一种缓冲溶液来说其缓冲强度和缓冲能力都是一定的。

3.1 缓冲指数

溶液的缓冲强度用缓冲指数β表示

指的是加入强酸或强碱摩尔质量为dc时，溶液pH值的变化为dpH个单位。

从物理意义上，β是相关酸碱组分分布曲线的斜率，实际应用上可以反映溶液在制定pH下的缓冲强度。

一般认为，总浓度一定时，缓冲组分比值为1：1，即缓冲溶液pH=pKa时，缓冲指数最大。或者当缓冲组分浓度比相同时，缓冲溶液总浓度越大，缓冲指数越大。

3.2 缓冲容量

溶液的缓冲能力用缓冲容量α表示

它的物理意义是加入强酸或强碱的摩尔量为△c时溶液的pH值发生了△pH的变化。

由缓冲指数和缓冲容量可知，缓冲溶液的缓冲作用是有一个范围存在的。通常认为缓冲溶液的有效缓冲范围约为pH=pKa±1。pH=pKa±1时，α=0.82c，β=0.19c。

4 缓冲溶液的应用和选择[7-9]

由于化学实验中反应的多样性，需要根据实际情况选择合适的缓冲溶液。选择的原则如下：

a.缓冲溶液不会对分析过程产生干扰。

b.实验所需pH值应在缓冲溶液的缓冲范围内。

c.缓冲溶液需要足够大的缓冲容量。

而在实际工作或研究中有时候需要较大的缓冲范围，这样单一的共轭酸碱对就很难满足这一要求了，这时可以选用多种酸碱对组成的缓冲体系。具有不同pKa的共轭酸碱对可以在不同pH范围发挥缓冲作用，从而提高了缓冲体系的缓冲能力。

5 结论

缓冲溶液在工农业生产、日常生活、科学研究等领域均有重要应用。本文首先介绍了酸碱理论发展简史和pH值，进而引出了缓冲溶液的概念，并对缓冲溶液的缓冲能力即缓冲指数和缓冲容量进行了详细论述，最后再讨论了缓冲溶液的选择和在实际生活中的应用。通过这种教学方式，调动学生学习积极性，加深对于课堂内容的印象，教学效果得到改善。

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(本文文献格式：叶明富，方 超，徐 红，等.关于酸碱缓冲溶液教学思考[J].山东化工，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

安徽省教学改革研究项目(2015jyxm114)；安徽工业大学研究生创新研究基金(2016005)；安徽省大规模在线开放课程(MOOC)示范项目(2015mooc033)；安徽工业大学工商学院教学研究项目(201503)；安徽工业大学基础生物学示范实验实训中心；安徽工业大学精品资源共享课；安徽工业大学课程负责人项目和安徽工业大学混合式教学课程建设项目。

叶明富(1982—)，安徽南陵人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事化学教学及研究工作。

G642.0；G45

B

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