4.4　缓冲溶液

在共轭酸碱对组成的混合溶液中加入少量强酸或强碱，溶液的pH基本上无变化，这种具有保持pH相对稳定的性能的溶液，称之为缓冲溶液（buffer solution）。缓冲溶液的特点是在适度范围内既能抗酸，又能抗碱，适当稀释或浓缩，溶液的pH都改变很小。

缓冲溶液的重要作用就是通过调节共轭酸碱对的浓度控制溶液的pH。缓冲溶液具有重要的意义和广泛的应用。例如，人体血液的pH需保持在7.35～7.45之间，pH过高或过低都将导致疾病甚至死去。由于血液中存在着许多缓冲剂，如，H2PO4-，蛋白质、血红蛋白和含氧血红蛋白等，这些缓冲系统可以使血液的pH稳定在7.40左右。植物只有在一定pH的土壤中，才能正常生长、发育，大多数植物在pH<3.5和pH>9的土壤中都不能生长。不同的植物所需要的pH也不同，如水稻生长适宜的pH为6～7。土壤中一般含有、腐殖酸及其共轭碱组成的缓冲系统，因此土壤溶液是很好的缓冲溶液，具有比较稳定的pH，有利于微生物的正常活动和农作物的发育生长。许多化学反应需要在一定pH条件下进行，缓冲溶液就能提供这样的条件。

4.4.1　缓冲作用原理

根据酸碱质子理论，缓冲溶液是一共轭酸碱对系统。缓冲溶液是由一种酸（质子给予体，用HB表示）和它的共轭碱（质子接受体，用B-表示）组成的混合系统。在水溶液中存在以下质子转移平衡：

在缓冲溶液中，HB和B-的起始浓度很大，即溶液中大量存在的形式主要是HB和B-。

当加入少量强酸时，H3O+浓度增加，平衡向左移动，B-浓度略有减少，HB浓度略有增加，H3O+浓度基本未变，即溶液pH基本保持不变。显然溶液中的共轭碱B-起了抗酸作用。

当溶液中加入少量碱时，OH-浓度增加，H3O+浓度略有减少，平衡向右移动，HB和H2O作用产生H3O+可以补充其减少的H3O+。这样HB浓度略有减少，B-浓度略有增加，而H3O+浓度几乎未变，pH基本保持不变，显然此时HB起了抗碱作用。

由此可知，含有足够大浓度弱酸与其共轭碱的混合溶液具有缓冲作用的原理是由于外加少量酸或碱时，质子在共轭酸碱之间发生转移以维持质子浓度基本不变。

可见，缓冲系统应具备两个条件：一是要具有既能抗碱（弱酸）又能抗酸（共轭碱）的组分；二是弱酸及其共轭碱保证足够大的浓度和适当的浓度比。常见的共轭酸碱对组成的缓冲系统有HAc-Ac-、、和等。

4.4.2　缓冲溶液pH的计算

以弱酸HB及其共轭碱NaB组成的缓冲溶液为例，设其浓度分别为ca和cb，在水溶液中的质子转移平衡为：

　　 （4-10） 　　

由于缓冲剂的浓度一般较大和同离子效应的存在，可以将上式中的c（HB）和c（B-）视为等于最初浓度ca和cb，所以式（4-10）可以写成下面的形式，这就是缓冲溶液pH计算的一般公式：

　　 （4-11） 　　

可见，缓冲溶液的pH，首先取决于，即取决于弱酸的解离常数的大小，同时又与ca和cb的比值有关。

若用弱碱与其共轭碱组成缓冲溶液，则其pOH可用下式计算：

　　 （4-12） 　　

4.4.3　缓冲容量

任何缓冲溶液的缓冲能力都是有一定限度的。对每一种缓冲溶液，只有在外加的酸碱的量不大时，或将溶液适当稀释时，才能保持溶液的pH基本不变或变化不大。缓冲容量（buffer capacity）的大小取决于缓冲系统共轭酸碱对的浓度及其比值。在浓度较大的缓冲溶液中，当缓冲组分浓度的比值为1:1时，缓冲容量最大。当共轭酸碱对浓度比为1:1时，共轭酸碱对的总浓度越大，缓冲能力越大，因此，常用的缓冲溶液各组分的浓度一般在0.1～1.0mol·L-1之间，共轭酸碱对比值在1/10～10之间，其相应的pH及pOH变化范围为或，称为缓冲溶液最有效的缓冲范围，各系统的相应的缓冲范围显然取决于它们的和。

在实际配制一定pH缓冲溶液时，为使共轭酸碱对浓度比接近于1，则要选用（或）等于或接近于该pH（或pOH）的共轭酸碱对。例如要配制pH=5左右的缓冲溶液，可选用的HAc-Ac-缓冲对；配制pH=9左右的缓冲溶液，则可选用=9.26的缓冲对。可见、值是配制缓冲溶液的主要依据，调节共轭酸碱的浓度之比，即能得到所需pH的缓冲溶液。在实际应用中，大多数缓冲溶液是加NaOH到弱酸溶液或加HCl到弱碱溶液中配制而成。

4.4.4　重要缓冲溶液

表4-1列出最常用的几种标准缓冲溶液，它们的pH是经过准确的实验测得的，目前已被国际上规定作为测定溶液pH时的标准参照溶液。