缓冲溶液指由“弱酸及其共轭碱之盐类”或“弱碱及其共轭酸之盐类”所组成的缓冲对配制的,能够在加入一定量其他物质时减缓pH改变的溶液。
前述定义中之所以要两种成对物质,是因为反应可以同时朝向酸或碱来缓冲,举例醋酸与醋酸钠的混合溶液就是缓冲溶液。若加盐酸,pH不会下降太快,因为盐酸会跟醋酸钠反应,生成醋酸。相反,若加氢氧化钠,pH也不会增加太快,因为氢氧化钠会跟醋酸反应,生成醋酸钠。 在许多化学反应中,缓冲溶液被用于使溶液的pH值保持恒定。
本文通过以下几点详细阐述缓冲液的机理及应用范围:
1.原理
2.pH
3.应用
原理
缓冲溶液之所以能减缓pH的改变是因为其中所含有的缓冲物质所形成的缓冲对,当溶液中加入少量酸性物质时,缓冲对中的碱性组分子与之反应中和,当溶液中加入少量碱性物质时,缓冲对中的酸性组分子与之反应中和,即同离子效应。
pH
缓冲溶液的pH可以用亨德森-哈塞尔巴尔赫方程来估算。以弱酸HA为例,HA的解离常数被定义为:
简化后得到:
值得注意的是,式子中酸及其共轭碱的浓度都是平衡时的浓度,除了酸性过于强的情况下,由于同离子效应的存在,一般都可用此式计算。
应用
缓冲溶液有许多用途,例如人体血液中含有磷酸二氢根-磷酸氢根、碳酸-碳酸氢钠等多对缓冲对,维持血液的pH在7.35至7.45之间,以维持酶的活性。
在工业上,缓冲溶液常被用于调节染料的pH。缓冲溶液还可以被用于pH计的校正。
常见缓冲液
成分 | pH调节范围 |
盐酸-柠檬酸钠 | 1-5 |
柠檬酸-柠檬酸钠 | 2.5 - 5.6 |
乙酸-乙酸钠 | 3.7 - 5.6 |
K2HPO4-KH2PO4 | 5.8 -8 |
Na2HPO4-NaH2PO4 | 6 - 7.5 |
硼酸-氢氧化钠 | 9.2 - 11 |
广域缓冲液
两种以上的缓冲对配制而成的溶液可以获得更大的pH调节范围。配制缓冲溶液时常用磷酸,因为它是一种三级电离的弱酸。下面列出的缓冲溶液(称作McIlvaine缓冲溶液)pH调节范围为(3-8):
0.2Mol/L Na2HPO4 | 0.1Mol/L柠檬酸 | pH |
20.55 | 79.45 | 3 |
38.55 | 61.45 | 4 |
51.5 | 48.5 | 5 |
63.15 | 36.85 | 6 |
82.35 | 17.65 | 7 |
97.25 | 2.75 | 8 |
柠檬酸、磷酸氢钾、硼酸与二乙基巴比妥酸的pH调节范围为2.6-12。除此之外常用的广域缓冲溶液还有卡莫第缓冲溶液(Carmody buffer)和1931年发明的布里顿-罗宾逊缓冲溶液。
生物学实验中常用的缓冲溶液
俗称 | 25°C下的pKa | 缓冲范围 | 温度影响dpH/dT (1/K) ** | 相对分子质量 | 全称 |
TAPS | 8.43 | 7.7–9.1 | −0.018 | 243.3 | 三羟甲基甲氨基丙磺酸 |
Bicine | 8.35 | 7.6–9.0 | −0.018 | 163.2 | N,N-双(2-羟乙基)甘氨酸 |
Tris | 8.06 | 7.5–9.0 | −0.028 | 121.14 | 三羟甲基氨基甲烷 |
Tricine | 8.05 | 7.4–8.8 | −0.021 | 179.2 | N-三-(羟甲基)甲基氨基乙酸 |
HEPES | 7.55 | 6.8–8.2 | −0.014 | 238.3 | 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙烷磺酸半钠盐 |
TES | 7.4 | 6.8–8.2 | −0.020 | 229.2 | N-三(羟甲基)甲基-2-氨基乙磺酸 |
MOPS | 7.2 | 6.5–7.9 | −0.015 | 209.3 | 3-(N-吗啡啉)乙磺酸 |
PIPES | 6.76 | 6.1–7.5 | −0.008 | 302.4 | 哌嗪-N,N'-二(2-乙磺酸) |
Cacodylate | 6.27 | 5.0–7.4 | 138 | 二甲基胂酸 | |
SSC | 7 | 6.5-7.5 | 189.1 | 柠檬酸钠 | |
MES | 6.15 | 5.5–6.7 | −0.011 | 195.2 | 2-吗啉乙磺酸 |
** 仅为近似值
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