從前一段影片我們已經知道要如何配製緩衝溶液 也知道為什麼緩衝溶液 可以避免溶液pH值大幅度變動的原理 但隨著緩衝溶液的組成不同 它們的有效區間也不盡相同 怎麼樣才能配製出效果比較好的緩衝溶液呢？ 緩衝溶液有效的pH值區間範圍又是多少呢？ 假設有一弱酸HA與其共軛鹼如畫面 其中弱酸的解離常數為Ka 我們可以列出畫面中的式子 依據解離常數的定義 弱酸的解離常數可寫作 「酸的濃度分之氫離子濃度乘上酸根離子濃度」 或者是使用pH值來呈現 取負log後寫作畫面上的式子 我們以pH表示負log氫離子濃度 以pKa表示將平衡常數Ka取負的log 整理後可表示為畫面中的兩個關係式 當緩衝溶液中、酸的濃度等於共軛鹼的濃度時 可知酸的濃度分之酸根離子濃度的log值為log1 也就是0 換句話說 此時緩衝溶液的pH值等於解離常數取負log後的結果 同理 若是弱鹼與其共軛酸的緩衝溶液 其鹼的解離常數如畫面所示 而共軛酸的解離常數可表示為Ka’ 我們可以列出畫面中的反應式與解離方程式 並且依前面相同的推導過程 取負的log值後 可得到畫面中的式子 我們知道在25度C的條件下 pH和pOH加起來會等於離子積常數經過負的log計算後的結果 也就是等於14 此外共軛酸鹼對的乘積也會等於離子積常數 因此共軛酸和共軛鹼的解離常數 分別經過負的log計算之後 再相加 也會等於14 若將上述式子整合後 可得pH為畫面中的式子 你發現了嗎？ 既使使用弱鹼與其共軛酸配製緩衝溶液 其pH值依然會落在共軛酸解離常數 取負log計算後結果的附近 我們整理了幾種常見的緩衝溶液組成及其酸的解離常數 其中以星字號註記的部分 為氨的共軛酸「銨根離子」的解離常數 其解離方程式如畫面所示 以醋酸-醋酸根離子的緩衝溶液為例 假設我們準備了濃度 均為畫面所示的醋酸與醋酸鈉混合水溶液1.0公升 當加入1毫升0.1 M之鹽酸或1毫升0.1 M的氫氧化鈉時 我們可以一起思考一下 水溶液會變成什麼狀況呢？ 當加入1毫升0.1 M的氫氧化鈉於水溶液中時 相當於在水溶液中添加了10的負4次方莫耳的氫氧化鈉 因為水溶液的體積為1公升 所以醋酸的初始濃度同樣也是莫耳數 並且由於溶液體積一致 所以式子中的濃度比 也會等於莫耳數比 因此 緩衝溶液的pH值可表示成畫面中的關係式 倘若醋酸的初始濃度遠大於10的負4次方 則會呈現如畫面中的關係式 因此可知pH近似於解離常數取負log計算後的結果 你發現了嗎？ 不管加入少量的酸或少量的鹼 只要共軛酸鹼對的比例不要有太大幅度的變動 基本上pH都不會有明顯的改變 但是要怎麼維持共軛酸鹼對的比例幾乎不改變呢？ 你想到了嗎？ 答案就是水溶液中弱酸與其共軛鹼的量 必須要遠大於外加酸或外加鹼的量 若以x表示外加酸或外加鹼的量 當初始濃度遠大於x 便會出現畫面中的近似關係 因此共軛酸鹼對的比例就不會有大幅改變 相對而言 緩衝溶液的pH就幾乎不改變 由附圖我們可比較出純水 及不同濃度的醋酸與醋酸鈉水溶液 當加入等量的氫氧化鈉時 pH值變動的情形 由圖中我們可發現 越是高濃度的緩衝溶液 pH值變化量就越小 所以我們在實驗室中配製緩衝溶液時 常將水溶液配製成飽和溶液 這是因為越高濃度的緩衝溶液 就具有越好的緩衝能力 已知25度C下 有一緩衝溶液體積為100 毫升 且成分為0.10 M的醋酸鈉與0.10 M之醋酸 試回答下列問題 從前述測驗題的答案 你發現了嗎？ 緩衝溶液的有效緩衝區間大約都在解離常數取負log的附近 且科學家定義緩衝溶液之緩衝能力 大約為解離常數取負log後的正負1範圍 為什麼是這樣的範圍呢？ 我們知道緩衝溶液之所以有效 必須是弱酸與弱酸的共軛鹼 或弱鹼與弱鹼的共軛酸同時存在的情形 當然最佳的狀態會是兩者比例為1比1的情況下 當兩者的量為1比1時 表示弱酸的體積莫耳濃度與其共軛鹼的體積莫耳濃度相同 即水溶液的pH值等於解離常數取負log的值 但為什麼有效緩衝區間接近解離常數取負log計算後的正負1範圍呢？ 你發現了嗎？ 正負1是不是正好落在共軛酸鹼對比值取log後的部分呢？ 倘若共軛酸鹼對的含量比值等於10比1 取log後的值等於正1 倘若含量比值為1比10 取log後的值則等於負1 換句話說 我們承認緩衝溶液具有緩衝特性時 弱酸與其共軛鹼兩者濃度的差異不得超過10倍 若超過10倍的話 我們就會說該緩衝溶液已失去緩衝能力了 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 緩衝溶液的pH值與pOH值 可以表示為畫面上的關係式 若緩衝溶液之弱酸與其共軛鹼濃度相同時 兩者酸鹼關係如畫面所示 同理 緩衝溶液之弱鹼與其共軛酸濃度相同時 其關係亦如畫面所示 濃度愈高的緩衝溶液 其緩衝能力愈佳 當由外部加入少量的強酸或強鹼時 其pH值變動的幅度愈小 緩衝溶液之緩衝能力大約於畫面所呈現的範圍 超過此範圍則該緩衝溶液已失去緩衝效果 同學們 經過這一單元的學習 你已學會怎麼樣才能配製出效果比較好的緩衝溶液嗎？ 歡迎與我們分享你的學習心得 下次見