蛋白質和許多生物相關的反應

常是對pH值敏感的反應

也就是說反應條件的pH值

不能有太大的變化

緩衝溶液是科學上常用來控制溶液pH值的方法

藉由弱酸與其共軛鹼或弱鹼與其共軛酸之混合溶液

即可達到減小pH值變動幅度的目的

實驗室中常用的緩衝溶液有哪些呢？

這些緩衝溶液的有效區間範圍是多少？

要如何配製一個有效的緩衝溶液呢？

讓我們一同探討緩衝溶液的特點吧！

首先我們看到醋酸與醋酸鈉的緩衝溶液

醋酸的解離方程式如畫面所示

已知醋酸的解離常數 Ka等於1.8乘以10的負5次方

對醋酸-醋酸鈉的緩衝溶液來說

pKa等於4.74

由平衡常數式可知

緩衝溶液pH值等於pKa加log醋酸濃度分之醋酸根濃度

假設緩衝溶液中醋酸與醋酸鈉之濃度均為0.1 M

則該緩衝溶液的pH值等於pKa等於4.74

另外

對緩衝溶液來說

有效緩衝區間內的醋酸與醋酸鈉濃度

不可以相差超過10倍

也就是醋酸濃度分之醋酸根濃度

需大於10分之1

且小於10

依據pH值計算方程式

可以知道對此系統來說

有效緩衝區間介於pKa正負1

也就是約在3.7至5.7之間

已知某溫度下

醋酸的解離常數Ka等於2乘以10的負5次方

小明欲配製pH值等於5之緩衝溶液250毫升

若實驗室有0.1 M醋酸水溶液1公升與足量醋酸鈉

試問：小明應如何配製該緩衝溶液？

接下來我們對磷酸二氫鉀與磷酸氫二鉀的緩衝系統進行說明

磷酸的解離方程式和解離常數如畫面所示

假設緩衝溶液中的磷酸氫二鉀與磷酸二氫鉀的濃度均為0.1 M

則該緩衝溶液pH值等於pKa2等於7.2

有效的緩衝區間則介於6.2至8.2之間

我們可以發現這是一個中性的緩衝溶液

人體血液的pH值大約等於7.4左右

不可低於7.35、亦不可高於7.45

而磷酸二氫鉀與磷酸氫二鉀的緩衝系統

在人體中扮演維持血液pH值恆定的一個重要角色

另外

我們接著看氨與氯化銨的緩衝系統

氨氣溶於水會形成銨根離子和氫氧根離子

且解離常數Kb等於1.8乘以10的負5次方

相對而言

銨根離子的解離反應如畫面所示

其解離常數Ka’等於5.6乘以10的負10次方

假設緩衝溶液中氨水與銨根離子的濃度均為0.1 M

則此緩衝溶液的pH值等於pKa’

也就等於9.2

且氨與氯化銨緩衝系統的有效緩衝區間

約在8.2至10.2之間

已知各系統的解離常數如畫面所示

若想製備pH值等於9的緩衝溶液

應取用下列哪個緩衝系統最合適？

二甲胺與氯化二甲銨

苯胺與氯化苯銨

醋酸與醋酸鈉

氨與氯化銨

磷酸與磷酸二氫鉀

最後

我們討論一個比較特別的緩衝系統

檸檬酸與檸檬酸鈉的緩衝溶液

檸檬酸的結構如圖所示

我們可以清楚的看到檸檬酸為三質子酸

分子式為C6H8O7

其解離常數分別為Ka1等於7.4乘以10的負4次方

Ka2等於1.7乘以10的負5次方

Ka3等於4.0乘以10的負7次方

經計算可知pKa1等於3.13、pKa2等於4.76、pKa3等於6.40

我們可發現pKa1正負1的範圍在2.1至4.1之間

pKa2正負1的範圍在3.7至5.7之間

pKa3正負1的範圍在5.4至7.4之間

因此三個緩衝範圍相互重疊

我們可發現檸檬酸與檸檬酸鈉的緩衝溶液系統的緩衝區間非常大

介於2.1至7.4之間

小明欲以磷酸與氫氧化鈉配製pH值為7.2的緩衝溶液

已知實驗室中有1.0 M磷酸水溶液100毫升與足量氫氧化鈉

試問應於磷酸水溶液中加入若干克之氫氧化鈉

才可配製pH值為7.2的緩衝溶液？

最後讓我們複習一下今天學到的觀念

不同的緩衝溶液具有不同的緩衝範圍

其緩衝範圍約於pKa正負1之間

多質子酸依解離的質子數不同

在不同的pH值範圍具有緩衝能力

其緩衝範圍約為pKa正負1之間

檸檬酸為三質子酸

因三個質子之緩衝範圍相互重疊

故具有較廣的緩衝範圍（pH值介於2.1至7.4）為一種常用的緩衝溶液

今天的課程到此結束

我們下次見！