緩衝液 Buffered Solution

化學原理啟迪189

1.     緩衝溶液：當溶液添加氫氧根離子或質子時，這種溶液能夠阻止pH值改變。

2.     日常生活最重要的緩衝液是人類的血液，血液吸收生物反應過程中產生的酸與鹼而沒有改變pH值。血液的pH值穩定是非常重要的，因為細胞只能在很狹窄的pH範圍內生存。

3.     緩衝溶液分為幾種：含有弱酸和它的鹽類（例如，HF和NaF）或弱鹼和它的鹽類 （例如，NH3和NH4Cl）。只要選擇的成分恰當，溶液就可以被緩衝在任何的pH值上。

4.     我們會先研究平衡計算。然後用這些結果說明，緩衝溶液如何在溶液增加酸或鹼的時候，抗拒pH值改變。

5.     【範例】含有0.50M醋酸的緩衝溶液（H C2H3O2, Ka＝1.8×10^－5）並且0.50M醋酸鹽（NaC2H3O2）

題目a.計算溶液的pH值。

6.     溶液中的主要物質是

7.     分析溶液的成分會得到一個結論，醋酸的解離平衡牽涉到HC2H3O2和C2H3O2^－，它們控制溶液的pH：

HC2H3O2 (aq) ←→ H⁺(aq) + C2H3O2^－(aq)

Ka＝1.8×10^－5＝[H⁺][ C2H3O2^－]／[HC2H3O2]

8.     反應前後，各物質的濃度如下

9.     然後計算

Ka ＝1.8×10^－5＝[H⁺][ C2H3O2^－]／[HC2H3O2]

＝（x）（0.50+x）／0.50－x≒（x）（0.50）／0.50

因此 x＝1.8×10^－5

這個近似值是可信的（誤差範圍在5％以內），所以

10. 所以，這個溶液的質子濃度[H⁺]＝1.8×10^－5M 並且pH＝4.74

11. 題目b.當0.010mol的固體NaOH加入1.0L的緩衝液，計算pH值有何改變。再把結果與0.010mol的固體NaOH加入1.0L水，造成的pH值加以比較。

12. 【解題】因為NaOH固體加入溶液中會完全解離，反應前溶液中的主要物質是HC2H3O2,  Na⁺,  C2H3O2^－  , OH^－和 H2O。特別留意，溶液含有大量的強鹼：氫氧根離子OH^－，非常會吸引質子酸來結合。

13. 最佳的質子酸來源是醋酸，所以會發生以下反應

OH^－ +  H C2H3O2  →  H2O + C2H3O2^－  

14. 雖然醋酸是弱酸，但因為氫氧根離子OH^－是非常強的強鹼，因此以上的反應基本上會進行到「氫氧根離子」反應物完全消耗掉為止、會完全反應。

15. 研究這個問題最好的方法是依循以下二個步驟：（1）假設反應會完全，然後進行化學計量的計算。（2）進行化學平衡計算。

16. （1）化學計量的計算。反應如下：

特別留意0.01mol的HC2H3O2，因為增加OH^－，而被轉換成0.01mol的C2H3O2^－。

17. （2）平衡問題。OH^－和HC2H3O2的完全反應進行以後，溶液中的主要物質是：HC2H3O2,  Na⁺,  C2H3O2^－  和 H2O

主要的平衡反應牽涉到醋酸HC2H3O2的解離。

18. 平衡問題非常類似問題a。差別是增加0.01mol的OH^－會消耗掉一些HC2H3O2，並且製造出一些C2H3O2^－，產生以下的濃度

特別留意初始濃度的定義，是依據OH^－消耗掉而整個系統還沒有達成平衡的狀態。

19. 按照一般的計算程序，得到

Ka=1.8×10^－5＝[H⁺][ C2H3O2^－]／[HC2H3O2]

＝（x）（0.51＋x）／（0.49－x）≒（x）（0.51）／0.49－x

 x≒1.7×10^－5

20. 以上的近似值是可信的（誤差範圍在5％以內），所以

[H+]＝x＝1.7×10^－5  並且  pH＝4.76

21. 緩衝溶液增加0.01mol的OH^－ ，pH值的改變幅度

溶液只增加0.02pH單位。

22. 現在我們來比較在1.0L的水裡面直接加0.01NaOH，得到0.01M NaOH。在這種情況下，[OH^－]＝0.01M 並且

[H⁺]=Kw／[OH^－]＝（1.0×10^－14）／（1.0×10^－2）＝1.0×10^－12

pH＝12.00

23. 水增加0.01mol的NaOH造成的pH改變幅度

12.00－7.00＝+5.00

增加5.00pH單位。

24.  兩相比較之下，就可以知道緩衝溶液對抗pH值的能力有多強。

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

徐弘毅：

1.     工業廢水如果是強酸，加入一點緩衝液，就可以變成弱酸；如果廢水是強鹼，加入一點緩衝液，就可以變成弱鹼，這樣就不會造成嚴重的污染，或有利於回收。

2.     多數人面對利益上或思想上的衝擊時，都容易情緒失控；任何人只要情緒一失控，就多會做傻事，可能傷害社會也可能傷害自己。如何抑制情緒上的失控？讓情緒失控的人有言論的自由，並且記錄其言行舉止，就不會造成嚴重的情緒後果。

3.     政客施政不良被抓包時，多會情緒失控；權貴階級為非作歹時，被爆料也會情緒失控；弱勢族群如果被過份欺負、壓迫，也會情緒失控……。總之，只要新聞媒體提供其言論上的自由，客觀報導、理性記錄其言行，很快的就會變冷靜，而變得更理性。所以「新聞自由」，是社會衝突的緩衝劑。

4.     一個人沒有真才實學、專業素養，而失去社會競爭力，就容易情緒失控；政客的職權超過其真才實學，權與能不相稱，也很容易情緒失控。情緒失控的人，有些人會易怒，有人會喜怒無常，有人會縱欲狂歡，有人沈迷毒品或賭博，有人會憂鬱症……總之會身心不正常。

5.     緩衝液的原理：我們在「醋酸」（弱酸）裡面添加「醋酸鈉鹽」（鹽類）這就是一種緩衝液。那它的作用機制是什麼呢？「醋酸」在水裡會解離出少量的質子，「醋酸鈉鹽」會使「醋酸」收回部分本來要吐出的質子，讓溶液變得更接近中性；這些中性的醋酸分子，一遇到強鹼OH^－，又能夠把儲存的質子吐出來跟強鹼反應成「水」，繼續保持溶液的中性。

6.     身心保持健康、情緒穩定，是一個人長壽快樂的秘訣。要保持情緒穩定，《中庸》就叫致「中和」，主要的方法就是：1.學習一門頂尖的專業技能。2.德智體群美五育均衡發展，終生學習。此二法就是人生面對重大挫折的緩衝液。

7.     世界上會自殺、走絕路、殺人放火、參加飆車族……等情緒嚴重失控的人，都是因為：1.沒有頂尖的一技之長。2.五育沒有均衡並重。

8.     經濟發展，產業必須不斷的升級，但是產業升級時必然有弱勢的人會失去社會競爭力、被社會淘汰，負責任的政府不能放任弱勢者自生自滅，必須為他們的前途著想，否則就會引爆社會衝突與治安問題。社會救助機制、免費職業訓練、免費提供土地自耕自足、宗教團體輔導……就是社會的緩衝劑。