缓冲溶液缓冲能力探究

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1、缓冲溶液缓冲能力探究小组成员：李时骁宁馨儿、宋珺、鲁韩旭、唐玥、余天硕指导教师：刘晓军摘要缓冲溶液是一种能在加入少量酸或碱和水时大大减低pH变动的溶液。pH 缓冲系统对维持生物的正常pH值和正常生理环境起到重要作用。多数细胞仅能 在很窄的 pH 范围内进行活动，而且需要有缓冲体系来抵抗在代谢过程中出现的 pH 变化。在生物体中有三种主要的 pH 缓冲体系，它们是蛋白质缓冲系统、重 碳酸盐缓冲系统以及磷酸盐缓冲系统。每种缓冲体系所占的分量在各类细胞和器 官中是不同的。因此，研究缓冲溶液的缓冲能力是十分有必要的。当往某些溶液中加入一定量的酸和碱时，有阻碍溶液pH变化的作用，称为缓冲作用，这样的溶液

2、叫做缓冲溶液。弱酸及其盐的混合溶液（如 HAc 与NaAc ）,弱碱及其盐的混合溶液（如 NH3H2O与NH4C1 ）等都是缓冲溶 液。由弱酸HA及其盐NaA所组成的缓冲溶液对酸的缓冲作用，是由于溶液 中存在足够量的碱A-的缘故。当向这种溶液中加入一定量的强酸时，H离子基本上被A-离子消耗，所以溶液的pH值几乎不变；当加入一定量强碱时， 溶液中存在的弱酸HA消耗OH-离子而阻碍pH的变化。在缓冲溶液中加入少量强酸或强碱，其溶液 pH值变化不大，但若加入 酸，碱的量多时，缓冲溶液就失去了它的缓冲作用。这说明它的缓冲能力 是有一定限度的。设缓冲系统的弱酸的电离常数为Ka （平衡常数），平衡时弱酸的

3、浓度 为酸，弱酸盐的浓度为盐，则由弱酸的电离平衡式可得下式：H+=Ka弱酸/共轭碱pH=pKa +log共轭碱/弱酸这就是 Henderson-Hasselbach 等式。如果弱酸=共轭碱,pH=pKa根据此式可得出下列几点结论：1、缓冲液的pH值与该酸的电离平衡常数K及盐和酸的浓度有关。弱酸的pKa值衡定，但酸和盐的比例不同时，就会得到不同的pH值。酸和盐浓度相等时，溶液的pH值与PK值相同。2、酸和盐浓度等比例增减时，溶液的 pH值不变。3、酸和盐浓度相等时，缓冲液的缓冲效率为最高，比例相差越大，缓冲效 率越低，缓冲液的一般有效缓冲范围为 PKa1pH。具有缓解液态介质 （如水体、降水等）

4、中酸碱度发生剧变的能力。其能力 的大小可用缓冲容量的大小来衡量（后者定义为使溶液的pH值改变1个单 位时所需加入的酸或碱的量 ）。常用作缓冲溶液的酸类由弱酸及其共轭酸盐组合成的溶液具有缓冲作用。生 化实验室常用的缓冲系主要有磷酸、柠檬酸、碳酸、醋酸、巴比妥酸、Tris （三 羟甲基氨基甲烷)等系统，生化实验或研究工作中要慎重地选择缓冲体系，因为 有时影响实验结果的因素并不是缓冲液的pH值，而是缓冲液中的某种离子。如 硼酸盐、柠檬酸盐、磷酸盐和三羟甲基甲烷等缓冲剂都可能产生不需要的化学反 应。硼酸盐：硼酸盐与许多化合物形成复盐、如蔗糖。 柠檬酸盐：柠檬酸盐离子容易与钙结合，所以存在有钙离子的情况

5、下不能 使用。磷酸盐：在有些实验，它是酶的抑止剂或甚至是一个代谢物，重金属易以 磷酸盐的形式从溶液中沉淀出来。而且它在PH7.5以上时缓冲能力很小。三羟甲基氨基甲烷：它可以和重金属一起作用，但在有些系统中也起抑制 作用。其主要缺点时温度效应。这点往往被忽视，在室温pH是7.8的Tris缓冲 液，4C时是8.4, 37C时是7.4,因此，4C配制的缓冲液在37C进行测量时，其氢离子浓度就增加了 10倍。在pH7.5以下，其缓冲能力极为不理想。缓冲液名称及常用浓度缓冲pH范围甘氨酸-盐酸缓冲液(0.05mol/L)2.2-5.0甘氨酸-氢氧化钠缓冲液(0.05mol/L)8.6-10.6柠檬酸-柠

6、檬酸钠缓冲液(0.1mol/L)3.0-6.6磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液(0.2mol/L)5.8-8.0磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲液(1/15 molL)4.92-8.18磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液(0.05mol/L)5.8-8.0乙酸-乙酸钠缓冲液(0.2mol/L)365.8碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液(0.1mol/L)9.16-10.83氯化钾-盐酸缓冲液(0.2mol/L)1.0-2.2氯化钾-氢氧化钠缓冲液(0.2mol/L)12.0-13.0研究缓冲溶液的背景和意义缓冲溶液在印染中的应用1、原理利用缓冲溶液对H+或OH-的作用，以控制溶液的pH值，从而使溶液的pH 值基本稳定。此

7、原理应用于印染行业中, 可达到改进染整技术、提高产品质量、 降低成本和增加效益的目的。缓冲溶液中含两种物质，一种是能抵消H+的物质；另一种是能抵消 OH-的物质，其混合后称缓冲溶液。缓冲溶液能使溶液pH值在一定范围内基本 不变， 这样可根据实际需要选择弱碱或弱酸盐作为酸的缓冲剂； 弱酸或弱碱盐 作为碱的缓冲剂。2、缓冲作用在印染中的应用2. 1 染色 在织物染色中，染浴的pH值往往因以下因素而发生波动：(1) 织物前处理清洗不彻底， 以致少量碱性或酸性物质带入染浴中。 染色时，添加的非中性添加剂(如助剂等)使染浴的pH值受影响。(3) 有些染料本身的pH值过高或过低，若加入染浴中，会引起染浴的

8、pH值变 化。如分散染料福隆艳黄SE26GFL的pH值为8. 60;福隆大红S23GFL的pH值 为10. 60。(4) 锅炉在供汽时， 有时出现负压， 将其他容器内的碱性或酸性溶液倒吸入蒸 汽管道中, 在加热染浴时, 将碱性或酸性物质带入染浴中。大多数染料对染浴的pH值较敏感，染浴的pH值控制稍有不当，便会 出现色浅、色差、色花等染疵。为了使染液的pH值具有良好的稳定性，染浴中 须适当配制有相应的缓冲溶液。2. 1. 1 分散染料染色 以高温高压溢流染色机分散染料染涤纶织物为例。由于许多分散染料对 染浴的pH值较敏感，在不同的pH值条件下染色，得到色泽差异较大，只有在 弱酸性(pH=50.5

9、)的染浴中染色，得到的色泽最浓艳纯正。为了使染浴的pH 值在染色时始终保持良好的稳定性， 可配制醋酸醋酸钠缓冲溶液。醋酸&醋酸钠对pH值控制的实际用量计算：(1) 醋酸与醋酸钠的比值设HAc初始浓度为Ca mol/L ,NaAc初始浓度为Cb mol/L, HAc电离部 分浓度为x mol/L。则存在：HAcH+Ac-NaAc=Na+Ac-HAc二Ca-xCaAc-二Cb+xCb电离常数 Ka=H+Ac-/HAcxCb/Ca 由于pH值控制在5左右，以pH =4.800. 20为宜。 pH=-lgH+=4.80H+= 1.59X10-5mol/LH+ 二x二KaCa/Cb=1.8X10-5mo

10、l/L(Ca/C)b=1.59X10-5mol/L Cb=1.13Ca即醋酸：醋酸钠=1 : 1.13由于高温高压条件下，弱酸的电离平衡常数K a值仍很小，对醋酸2 醋酸钠缓冲体系的pH值影响不大，仍可按醋酸Ka=1.80X10-5计算。(2) 醋酸与醋酸钠浓度缓冲剂浓度正比于缓冲量， 根据实际生产对缓冲容量的要求， 计算醋 酸2醋酸钠实际浓度。在染色中， 酸性物质进入染浴的可能性小， 一般情况以防碱为主。设由各种因素带入高温高压溢流机染浴的碱量为150 g,且150 g是全部碱性物 质水解成NaOH的重量。若溢流染色机染浴以3000L计算，带入染浴的碱浓度为 150/300040=0.001

11、25 mol/L。由于pH值要求为4. 800.25，同时Cb =1.13Ca，按电离平衡常数得： H+= KaCa/Cb1X10-5=1.8X10-5X(Ca-0.00125/1.13Ca+0.00125)Ca=0.00522 mol/LCb=1.13XCa=0.0059 mol/L即醋酸浓度为0. 00522 mol/L， 100%醋酸浓度为0. 3132 g/L ; 醋酸钠浓 度为 0.0059 mol/L，100%醋酸钠浓度为 0.484 g/L。在高温高压溢流染色中，若3000 L的染浴中，带入的碱浓度为0.00125 mo l/L (假定是烧碱浓度)，则可将100%醋酸0.3132

12、 g/L和100%醋酸钠0.484 g/L配成缓冲液加入染浴中,可有效地将染浴的pH值控制在所要求的范围内。 2.1.2 羊毛弱酸性染料和活性染料染色弱酸性染料或高温活性染料Lanasol染羊毛纤维时，必须严格控制染 浴整个染色过程的pH值在弱酸性条件下（染浴的pH值是由染色深度和染色所 用助剂决定）。因酸起促染作用, 若酸性较强, 染浴中染料很容易吸附在羊毛纤 维表面, 甚至在纤维表面超当量上染, 染料分子发生聚集而染花。一般染色介质 酸性越强，染料上染率越快，匀染性越差（特别温度80 C以上更为突出）。染色 时若采用NH3H2O/（NH4）2SO4或HAc/NaAc等混合缓冲剂来控制染浴的

13、pH值， 可使其保持在所需的范围内， 从而使羊毛纤维能获得较高的吸尽率和匀染性（特 别是中浅色）。2. 1. 3 活性染料冷轧堆染色活性染料冷轧堆染色采用缓冲混合碱作为固色碱， 对提高染液稳定性 及消除风印有极大的好处。二氯均三嗪型染料较活泼， 冷轧堆染色采用 Na2CO3/NaHCO3 作固色碱， 染色织物布面的“发毛”与不匀等染疵较单独用Na2CO3碱剂有所改善，特别 是染料用量超过30g/L情况及个别匀染性差和难染品种，采用Na2CO3/NaHCO3 （比例2 : 1）的固色碱可得到良好的匀染性，并提高染料的固色率。此外，硫化染料中硫化黑在上染过程中， 极易发生氧化， 产生染斑。若 加入

14、Na2CO3/NaHCO3（比例2.2%4.2%）的混和碱来控制染浴pH值，可减少氧化 速度， 对减轻染斑有很好的效果。2. 2 印花活性印花一步法的固色碱剂若采用碱性较高的Na2CO3（pH=12左右）， 当色浆与织物接触时，染料极易被活化，急剧提高染料对纤维的亲和力，而染料渗 透扩散能力相应会降低，导致在纤维表面固着不匀;而采用NaHCO3作固色碱剂 会影响染料的固色率。只有采用Na2CO3NaHCO3混合碱作碱剂，印花色浆更稳定，汽蒸后织物色泽更正,得色量 也相应提高。涂料印花中，用作配制印花色浆的粘合剂（反应性）或交联剂（自交） ，往 往是弱酸性溶液，带有弱正电荷， 常使乳液分散稳定性

15、降低， 而不利于印花若加 某些缓冲剂，如NH3H2O/NH4Cl或NH3H2O/（NH4） 2SO 4等，可使色浆的pH 值稳定在7 8 范围内， 印花色浆的粘度和流变性也最理想， 同时防止交联反 应过早发生， 提高色浆稳定性， 减少塞网， 保证印花顺利进行， 对提高产品质 量极为有利。3、结语利用缓冲溶液保持溶液酸碱度稳定作用，可有效控制染浴的pH值在 所要求的范围内， 即使溶液中带入了影响其酸（碱） 度的各种因素或溶液适当变 稀，缓冲溶液都能使溶液所需的pH值基本稳定，从而有利于印染加工，确保 产品质量。缓冲溶液的生物意义： 我们所有的科学研究最终都是要为人类服务的，因此我们要了解一个研究有 什么意义，就要先了解研究对象对于我们的意义。人体内各种体液的PH值具有十分重要的意义，它们均控制在一狭小范围内， 因为只有在这范围内，机体的各种功能活动才能正常进行。离开正常范围的少许 变化尚能允许，但如变化太大，都可能引起体内许多功能失调。在体内差不多每 项代谢的结果都有酸产生，如有机食物被完全氧化而产生碳酸，嘌呤被氧化而产 生尿酸，碳水化合物的厌氧分解而产生乳酸以及因氧化作用不完全而导致乙酰乙 酸和B-羟基丁酸的生成等。体内代谢也生成磷酸和