緩衝溶液

維基百科,自由的百科全書
前往: 導覽搜尋

緩衝溶液德語Pufferlösung英語Buffer solution法語Solution tampon)是指由「弱酸及其共軛鹼」或「弱鹼及其共軛酸」所組成的緩衝對配製的,能夠在加入一定量其他物質時減緩pH改變的溶液 [1]。 例如醋酸醋酸鈉的混合溶液就是緩衝溶液。若加鹽酸,pH不會下降太快,因為鹽酸會跟醋酸鈉反應,生成醋酸。相反,若加氫氧化鈉,pH也不會增加太快,因為氫氧化鈉會跟醋酸反應,生成醋酸鈉[2]。 在許多化學反應中,緩衝溶液被用於使溶液的pH值保持恆定。 緩衝溶液對生命的產生與進化具有重要意義,因為多數生物都只能在一定pH範圍內生長,例如血液就是一種緩衝溶液。

原理[編輯]

緩衝溶液能減緩pH改變是因為其中所含有的緩衝物質所形成的緩衝對,當溶液中加入少量酸性物質時,緩衝對中的鹼性組分子與之反應中和,當溶液中加入少量鹼性物質時,緩衝對中的酸性組分與之反應中和,即同離子效應

pH[編輯]

緩衝溶液的pH可以用亨德森-哈塞爾巴爾赫方程來估算。以弱酸HA為例,HA的解離常數被定義為:

 K\mathrm{_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}}

取對數後可得到:

\mbox{pH}=\mbox{p}K\mathrm{_a+\lg\frac{[A^-]}{[HA]}}.

亨德森-哈塞爾巴爾赫方程。式中\mathrm{HA}指緩衝對組分中的弱酸,\mathrm{A^-}指其共軛鹼。顯然由此式可知,當組分中酸性物質與鹼性物質濃度相等時(此時稱作半中和,英語half-neutralization),溶液\mbox{pH}=\mbox{p}K\mathrm{_a}。所以一般配製緩衝溶液時常選取\mbox{p}K\mathrm{_a}與溶液要控制的pH值相近的弱酸。但由於離子強度的影響,緩衝溶液的pH與理論值稍有不同。如兩種在組分濃度相同的磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩衝溶液的pH是7.4(磷酸\mbox{p}K\mathrm{_a}\mathrm{_2}=7.96)。

用兩種或兩種以上調節範圍相互重疊的緩衝物質配製的緩衝溶液可以獲得更大的緩衝範圍。

應用[編輯]

緩衝溶液有許多用途,例如人體血液中含有磷酸二氫根-磷酸氫根碳酸-碳酸氫鈉等多對緩衝對,維持血液的pH在7.35至7.45之間[3],以維持酶的活性。

在工業上,緩衝溶液常被用於調節染料的pH。緩衝溶液還可以被用於pH計的校正[4]

常見緩衝溶液[編輯]

成分 pH調節範圍
鹽酸-檸檬酸鈉 1 - 5
檸檬酸-檸檬酸鈉 2.5 - 5.6
乙酸-乙酸鈉 3.7 - 5.6
K2HPO4-KH2PO4 5.8 - 8 [5]
Na2HPO4-NaH2PO4 6 - 7.5 [6]
硼酸-氫氧化鈉 9.2 - 11

廣域緩衝溶液[編輯]

兩種以上的緩衝對配製而成的溶液可以獲得更大的pH調節範圍[7]。配製緩衝溶液時常用磷酸,因為它是一種三級電離的弱酸。下面列出的緩衝溶液(稱作McIlvaine緩衝溶液[8])pH調節範圍為(3-8):

0.2Mol/L Na2HPO4 0.1Mol/L檸檬酸 pH...
20.55 79.45 3.0
38.55 61.45 4.0
51.50 48.50 5.0
63.15 36.85 6.0
82.35 17.65 7.0
97.25 2.75 8.0

檸檬酸、磷酸氫鉀、硼酸與二乙基巴比妥酸的pH調節範圍為2.6-12。[9]

除此之外常用的廣域緩衝溶液還有卡莫第緩衝溶液(Carmody buffer)和1931年發明的布里頓-羅賓遜緩衝溶液英語Britton-Robinson buffer

生物實驗中常用的緩衝溶液[編輯]

俗稱 25°C下的pKa
緩衝範圍 溫度影響
dpH/dT (1/K) **
相對分
子質量
全稱
TAPS 8.43 7.7–9.1 −0.018 243.3 三羥甲基甲胺基丙磺酸
Bicine 8.35 7.6–9.0 −0.018 163.2 N,N-雙(2-羥乙基)甘氨酸
Tris 8.06 7.5–9.0 −0.028 121.14 三羥甲基氨基甲烷
Tricine 8.05 7.4–8.8 −0.021 179.2 N-三-(羥甲基)甲基氨基乙酸
HEPES 7.55 6.8–8.2 −0.014 238.3 4-(2-羥乙基)-1-哌嗪乙烷磺酸半鈉鹽
TES 7.40 6.8–8.2 −0.020 229.20 N-三(羥甲基)甲基-2-氨基乙磺酸
MOPS 7.20 6.5–7.9 −0.015 209.3 3-(N-嗎啡啉)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 5.0–7.4 138.0 二甲基胂酸
SSC 7.0 6.5-7.5 189.1 檸檬酸鈉
MES 6.15 5.5–6.7 −0.011 195.2 2-嗎啉乙磺酸

** 僅為近似值 [10]

參考資料[編輯]

  1. ^ Hädener, Alfons; Kaufmann, Heinz. Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie 14. Auflage. Birkhäuser. 2006: S.151–152. ISBN 3764370416. 
  2. ^ Latscha, Hans-Peter; Klein, Helmut Alfons; Mutz, Martin. Allgemeine Chemie: Chemie-Basiswissen 10. Auflage. Springer. 2011: Seite 239. ISBN 3642175228 (德語). 
  3. ^ Scorpio, R. Fundamentals of Acids, Bases, Buffers & Their Application to Biochemical Systems. 2000. ISBN 0787273740. 
  4. ^ Hulanicki, A. Reactions of acids and bases in analytical chemistry. Horwood. 1987. ISBN 0853123306.  (translation editor: Mary R. Masson)
  5. ^ http://www.cnr.berkeley.edu/soilmicro/methods/phosphate%20buffer.pdf
  6. ^ http://wheat.pw.usda.gov/~lazo/methods/lazo/phosphat.html
  7. ^ Kunze, Udo R.; Schwedt, Georg. Grundlagen der quantitativen Analyse 6. Auflage. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2009: S.115–117. ISBN 352732075X. 
  8. ^ McIlvaine, T. C. (1921). A buffer solution for colorimetric comparaison. J. Biol. Chem. 49: 183-186. http://www.jbc.org/content/49/1/183.full.pdf
  9. ^ Medham, J.; Denny, R.C.; Barnes, J.D.; Thomas, M. Vogel's textbook of quantitative chemical analysis 5th. Ed. Harlow: Pearson Education. 2000. ISBN 0 582 22628 7.  Appendix 5
  10. ^ Buffer Reference Center. Sigma-Aldrich. [2009-04-17]. 

參見[編輯]