最佳的緩衝液

化學原理啟迪194

1.     我們已經知道緩衝溶液的pH值取決於緩衝物質的濃度比例。當這個比例不太受到添加的質子或氫氧根離子的影響時，我們認為這個緩衝溶液非常能抗拒pH值的改變。

2.     為了找到最佳的緩衝溶液，我們假設有一個緩衝溶液含有高濃度的醋酸離子和低濃度的醋酸。

3.     增加質子使醋酸離子形成醋酸，會使得醋酸濃度有相當大比例的改變，也因此造成[C2H3O2^－]／[H C2H3O2]的比例大改變。

4.     同樣地，如果加入氫氧根離子，移除某些醋酸，醋酸濃度的改變幅度同樣很大。

5.     如果醋酸的初始濃度很大，醋酸根離子的初始濃度很小，效果也會一樣。

6.     因為[A^－]／[HA]比例的改變幅度大會造成pH值大幅變化，我們要避免這種情況去製造出最有效的緩衝液。

7.     這類的理由導致一個結論，當[HA]等於[A^－]的時候就能製造出最佳的緩衝液。也只有在這樣的條件下，[A^－]／[HA]比例才最能抗拒增加H⁺或OH^－造成的改變。因此當我們為特定應用選擇緩衝成分的時候，我們會要求[A^－]／[HA]比例等於1。

8.     因為

pH = pKa+log([A^－]／[HA]) = pKa+log(1)＝pKa

緩衝溶液選擇的弱酸，它的pKa應該要盡量接近想要的pH。

9.     舉例來說，假使我們需要一個緩衝溶液pH值4.00。當[HA]等於[A^－]的時候就能製造出最有效的緩衝液。

10. 依據韓德森方程式

 pH＝pKa+log([A^－]／[HA]) →最有效的緩衝液[A^－]／[HA]比例是1

↑4.00

也就是

4.00＝pKa+log(1)＝pKa+0  並且 pKa＝4.00

在這樣的情況下，最好的選擇是找pKa＝4.00或Ka＝1.0×10^－4的弱酸。

11. 【例題】一個化學家想要利用以下的酸（和它的鈉鹽）製備一個pH值4.30的緩衝液：

a.氯乙酸 chloroacetic acid（Ka＝1.35×10^－3）

b.丙酸 propanoic acid（Ka=1.3×10^－5）

c.苯甲酸 benzoic acid（Ka＝6.4×10^－5）

d.次氯酸hypochlorous acid（Ka＝3.5×10^－8）

pH是4.30的緩衝系統，[HA]／[A^－]比例是多少？請計算。哪一個系統會是最佳選擇？

12. 【解題】pH值4.3等於多少濃度？

[H⁺]＝10^－4.30＝antilog(－4.30) ＝5.0×10^－5M

13. 通常我們會獲得各種酸的Ka值而不是pKa值，所以我們會利用以下方程式

[H⁺]＝Ka[HA]／[A^－]

而不是韓德森方程式。

14. 我們將每種酸需要的[H⁺]和Ka代入方程式，計算出[HA]／[A^－]的比例。結果如下

15. 因為苯甲酸的[HA]／[A^－]接近1，苯甲酸系統和它的鹽類是製造pH4.30的緩衝液的最佳選擇。

16. 這個範例說明一個原則，最佳的緩衝液系統的pKa值接近我們想要的pH值。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》

徐弘毅

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4.     要製造pH值是4.3的緩衝液，有許多種配方：氯乙酸、丙酸、苯甲酸、次氯酸，哪一種比較好？酸分子與共軛鹼陰離子比例是1：1的緩衝液最好（[HA]／[A^－]=1），所以苯甲酸是最好的緩衝液。

5.     這是因為pH來源是，酸分子濃度[HA]與共軛鹼陰離子濃度[A^－]的大小與比例是否是1，在濃度一樣的時候，假如[HA] 和[A^－]彼此的濃度相當，吸收酸或鹼之後的變動差距會最小，最能保持pH值的穩定。

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