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本文拟采用一定数学手段,探究缓冲溶液缓冲容量(β)的影响因素,供参考.
缓冲溶液原理
缓冲溶液通常是由“共轭酸碱对”构成的一类特殊溶液;当加入少量酸、少量碱,或用少量水成倍稀释
时,该类溶液的pH值可基本保持不变.
例如:HOAc/OAc-缓冲体系
该缓冲体系对应的解离平衡,参见如下式(1)所示:
HOAc(aq) = OAc-(aq) + H+(aq) (1)
依平衡移动原理可知:该体系中加入少量酸(或碱),溶液中H+的浓度近似不变,pH亦不变;
另该体系:
pH=pKaθ-lg[c(HOAc)/c(OAc-)] (2)
式(2)中“pKaθ”表示HOAc解离常数的负对数;“c(HOAc)/c(OAc-)”表示缓冲比(α).
由式(2)可知,一定浓度范围内,缓冲体系成倍稀释,缓冲比(α)不变,pH值亦不变.
2. 缓冲溶液主要物性参数
2.1 缓冲比(α)
缓冲溶液中,弱酸及其共轭碱的初始浓度比,被定义为缓冲溶液的缓冲比(α),参见如下式(3)所示:
(3)
2.2 缓冲容量(β)
缓冲容量是指缓冲溶液中弱酸(或弱碱)的浓度随pH值的变化率,参见如下式(4)、(5)所示:
(4)
(5)
一般认为:缓冲容量(β)值越大,缓冲溶液抵抗外来酸(或碱)的能力越强.
3.缓冲容量(β)的影响因素
研究体系选择:HOAc-OAc-;且25℃, Kaθ(HOAc)=1.76×10-5.
整理式(2)可得:
(6)
令:c碱=0.20mol·dm-3;并代入式(6)可得:
c酸=1.14×104×10-pH mol·dm-3 (7)
式(7)用指数形式拟合可得:
图1. c酸与pH关系图
图1显示:①c酸与pH关系曲线上每一点切线的斜率(或缓冲容量)均不同;②随着c酸增大,缓冲溶液pH值
减小;③c酸及c碱是影响缓冲容量(β)的重要因素.
图1也显示:缓冲比(α)为1,即:c酸=c碱=0.20mol·dm-3时,缓冲容量(β)的值并不是最大.
4. 结论
⑴c酸及c碱是影响缓冲容量(β)的重要因素;
⑵缓冲比(α)为1时,缓冲溶液的缓冲容量(β)的值并不是最大.
备注:普通化学教学过程中,涉及到“缓冲容量”知识点;笔者用数学手段解析相关名词,不知是否正确?烦请有兴趣的先生指正!
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