我們可以想像

當一個雞蛋從空中墜落地面

可以預期雞蛋會發生破裂

然後蛋白、蛋黃灑落一地

那如何避免雞蛋從空中墜落所造成的破裂呢？

一個最簡單的方法

就是放上一層厚厚稻草作為緩衝墊

你發現了嗎？

雞蛋與地面接觸時

會瞬間停止墜落

進而造成雞蛋承受過大的力量

使得雞蛋破裂

但若讓雞蛋撞擊在緩衝墊上

雞蛋會藉由緩衝墊而慢慢的減速

緩衝墊延長了雞蛋從墜落到停止下來的時間

使雞蛋受力較小

雞蛋才不會破裂

所以稻草緩衝墊的作用

是不是在於慢慢的讓雞蛋減緩速度直到停下來呢？

「緩衝」代表著能減緩改變的發生

並不代表不改變喔

以緩衝溶液而言

這裡有個很重要的概念

我們期待的是pH值不要有大幅度的變動

而不是pH值完全不發生變動喔

讓我們試著想想

25度C下

如果在一杯100毫升的純水中

加入1毫升0.1 M的氫氧化鈉

pH值會如何變化？

首先我們假設純水的pH值為7

根據畫面中的計算

水溶液的pOH值等於3.004

所以pH值等於10.996

沒錯

只要把1毫升0.1 M的氫氧化鈉加入水中

就可以讓pH值由7增至11左右

在相同的狀況下

如果我們改將1毫升0.1 M的氫氧化鈉

加到100毫升、pH值等於3的鹽酸水溶液中

溶液內的pH值會如何變化呢？

pH值等於3的鹽酸水溶液

氫離子濃度為10的負3次方M

水溶液中有效氫離子的莫耳數為10的負4次方莫耳

而1毫升0.1 M的氫氧化鈉為10的負4次方莫耳

兩者數量相當

也就是會完全中和

僅剩下水解離產生的氫離子與氫氧根離子

因此水溶液的pH值會由3變為7

但如果是加入pH值等於3的醋酸水溶液呢？

醋酸為弱酸

已知其解離常數為2乘以10的負5次方

由前面所學pH值等於3的醋酸

可回推醋酸濃度約為0.05 M

也就是相當於我們將1毫升0.1 M的氫氧化鈉

加入100毫升0.05 M的醋酸水溶液中

在這個條件下

醋酸的莫耳數為5乘以10的負3次方莫耳

氫氧化鈉的莫耳數亦為10的負4次方莫耳

於酸鹼中和反應下

氫氧化鈉為限量試劑

醋酸剩餘4.9乘以10的負3次方莫耳

則中和後醋酸的濃度約為0.0485 M

醋酸根離子的濃度為9.9乘以10的負4次方M

於此條件下

解離平衡後水溶液的pH值約等於3.22

你發現了嗎？

在pH值等於3的醋酸水溶液中

加入等量的氫氧化鈉

整體的pH值變動很小

於上述醋酸與鹽酸的條件下

分別加入等量的氫氧化鈉

為什麼醋酸的pH值可以維持相對穩定

但鹽酸卻不行呢？

這是因為醋酸是弱酸

解離度低

而醋酸的原始濃度要比鹽酸高了50倍

外加的氫氧化鈉

會與鹽酸解離的氫離子完全中和

但溶液中則完全沒有未解離的氯化氫分子

然而在高濃度、低解離度的弱酸中

當加入強鹼時

除了會發生酸鹼中和

將外加的強鹼作用掉外

由於弱酸解離度低

因此尚有許多未解離的弱酸存在於水溶液中

此時反應會朝右方移動

增加解離度

使得水溶液得以維持接近原始的狀態

剛剛我們發現

將弱酸與強酸相比較

外加少量強鹼於水溶液中時

弱酸的pH值變動的較少

但若水溶液中加入1毫升0.1 M的鹽酸

pH會有變動嗎？

你想到了嗎？

弱酸可以減少外加少量的強鹼所造成的pH值的變動

但弱酸卻無法對外加的強酸有任何抑制的效果

那如何避免外加的酸

對水溶液造成影響呢？

是不是應該要選用弱鹼呢？

沒錯

就是弱鹼

我們可以試著計算看看

在25度C下

如果在100毫升pH等於11

也就是pOH等於3的氨水中

加入1毫升0.1 M的鹽酸

看看pH值會如何變動呢？

25度C下

氨水的解離常數等於2乘以10的負5次方

此時氨水的濃度約為0.05 M

與1毫升 0.1 M鹽酸反應後

pH值變為10.78

換句話說

pH值只減少了0.22

所以弱鹼確實減少因外加少量強酸所造成的pH值變動

不過相同的道理

弱鹼僅能抑制強酸所造成的影響

而無法抑制強鹼所造成的影響

那要怎麼配製水溶液

才能同時抑制外加的強酸或強鹼對水溶液的影響

進而避免pH值有大幅度的變動呢？

沒錯

就是把弱酸與弱鹼混合在一起

不過試想一下

如果把0.05 M醋酸

與0.05 M的氨水混合在一起

你能期待它們不發生任何反應嗎？

當然不可能

酸鹼中和反應是反應速率最快的反應

不可能讓弱酸與弱鹼同時存在

但又不發生反應

我們應如何解決這個問題呢？

「共軛酸鹼對」就可以解決這個問題喔

還記得「共軛酸鹼對」嗎？

弱酸的共軛鹼即是

由弱酸本身與鹼反應所得到的鹽類

既然是自己的共軛鹼

就不會與自己發生反應

所以緩衝溶液的組成成分

就是弱酸與其共軛鹼

或是弱鹼與其共軛酸囉

從剛剛的計算內容

我們發現弱酸與弱鹼因其解離度較低的關係

當外界加入強酸或強鹼

可靠著自己尚有許多未解離的弱酸或弱鹼的優勢

使水溶液的pH值沒有太大幅度的改變

在弱酸與其共軛鹼或弱鹼與其共軛酸的系統中

還可以利用同離子效應

把解離度降低

使得緩衝的效果更加明顯

舉例來說

0.05 M的醋酸水溶液

醋酸的解離度大約為百分之2

但0.05 M的醋酸與0.05 M的醋酸鈉混合水溶液

其醋酸的解離度就僅剩百分之0.04

請試著思考

如果我們僅有100毫升0.05 M的醋酸水溶液

但卻沒有醋酸鈉

要怎麼才能製作出緩衝溶液呢？

沒錯

就是在水溶液中加入像是氫氧化鈉之類的強鹼

藉由酸鹼中和反應產生醋酸鈉

但要特別注意

不可以加入過量的強鹼

也就是不可超過醋酸的莫耳數

倘若加入過多的氫氧化鈉

就會變成醋酸鈉與氫氧化鈉的水溶液

進而失去緩衝的效果

所以要配製緩衝溶液時

弱酸與其共軛鹼或弱鹼與其共軛酸這兩種情況

是最理想的組合

倘若僅有弱酸或弱鹼的共軛酸時

我們可以加入強鹼

並利用酸鹼中和反應

使共軛酸鹼對同時存在

相對來說

亦可利用於系統中加入強酸的方式

來使共軛酸鹼對同時存在

試試看

你學會了嗎？

讓我們來總結一下

經過這一個單元學習

你都學會了嗎？

歡迎與我們分享你的學習心得

下次見