4-4 緩衝溶液 1 1

緩衝溶液 4-4 學習目標： 了解何謂緩衝溶液及其 配製方法。 2

4-4 緩衝溶液 在醋酸與醋酸鈉的混合液中，加入少量的鹽酸或 氫氧化鈉，溶液的 pH 值變化不大， 像此類弱酸與其鹽或弱鹼與其鹽組成的溶液， 其 pH 值不會因為加入少量的強酸或強鹼而大幅 改變，有此特性的溶液稱為 緩衝溶液（buffer solution）。 緩衝溶液的緩衝作用，是同離子效應的重要應用 之一。 在純水及含 0.500 mol CH3COOH 與 0.500 mol CH3COONa 之緩衝溶液 1.00 L中，分別加入 0.0100 mol 強酸或強鹼後之 pH 值變化。 3

4-4 緩衝溶液 由於緩衝溶液中含有弱酸或弱鹼的共軛酸鹼對， 因此，任何一種緩衝溶液對於強酸或強鹼均具有緩衝的效果。 當外加少量的強酸，其中的鹼會與之反應； 而外加少量的強鹼，則其中的酸也會與之反應。 因此，任何一種緩衝溶液對於強酸或強鹼均具有緩衝的效果。 在含有等濃度的 HF 和 NaF 的緩衝溶液中，加入少量強鹼（OH－），會使溶液中的 HF 濃度減少，F－ 的濃度增加； 反之，在緩衝溶液中，加入少量強酸（H+），則使 HF 濃度增加，F－ 濃度減少。 4

4-4 緩衝溶液 緩衝溶液之 pH 值的計算，與弱酸或弱鹼解離的 同離子效應一樣。 以成分為弱酸（HA）及其鈉鹽（NaA）的緩衝 溶液為例，HA 的解離常數表示式如下： 即 可得 因此，配製緩衝溶液時，常選用 pKa 值與溶液的 pH 值相近之弱酸及其鹽。 5

4-4 緩衝溶液 例如：欲配製 pH＝4.7 的緩衝溶液， 可利用醋酸（pKa＝4.74）與醋酸鈉來配製。 也可選用 pKb 值與溶液的 pOH 值相近之弱鹼及 其鹽， 例如：欲配製 pH=9.3 的緩衝溶液， 可利用氨（pKb＝4.74）及氯化銨來配製。 此外，緩衝溶液的濃度愈濃，其緩衝效果愈佳。 以 0.100 M NaOH(aq) 加入 100 毫升水中，其 pH 值急遽增大。 改加入100 毫升的不同濃度、等量醋酸及醋酸鈉組成之緩衝溶液，濃度愈大者，其 pH 值變化愈緩慢。 6

4-4 緩衝溶液 在生物體內，緩衝溶液扮演著非常重要的角色。 例如：動物的血液含有數種共軛酸鹼對， H2CO3 - HCO3－、 HCO3－ - CO32－、 H3PO4 - H2PO4－、 H2PO4－ - HPO42－ …… 等； 血液中，這些組成共同發揮緩衝作用，使血液的 pH 值維持在 7.42 左右，讓體內各種生化反應可 以順利進行。 血液的 pH 值變化幅度若大於 0.2，對健康就有 傷害，甚至危及生命。 7

範例 4-9 下列各組混合溶液，何者不是緩衝溶液？ H2CO3 和 NaHCO3 CH3COOH 和 CH3COONa KH2PO4 和 K2HPO4 NaCl 和 NH4Cl NH3 和 NH4Cl 8 選修化學(上) 8

練習題 4-9 下列各溶液的濃度均為 0.10 M，何組混合後，可成為緩衝溶液？（多重選擇題） 10mL CH3COOH(aq) 和 10mL NaOH(aq) 10mL NH3(aq) 和 10mL NH4Cl(aq) 10mL NaOH(aq) 和 5mL HCl(aq) 10mL NH4Cl(aq) 和 5mL NaOH(aq) 10mL NaHCO3(aq) 和 5mL NaOH(aq) 9 選修化學(上) 9

範例 4-10 25 ℃ 時，已知 CH3COOH 的 Ka 值為 1.80×10－5 ，關於含有 1.00 莫耳醋酸（CH3COOH）及1.00 莫耳醋酸鈉（CH3COONa）的 1.00 升溶液，設操作過程中，體積不變，回答下列問題： （log2＝0.30，log1.80＝0.26 ， log1.87＝0.27） (1) 溶液的 pH 值為何？ (2) 加入 0.0200 莫耳 HCl 後，溶液的 pH 值如何變化？ (3) 在 1.00 升純水中，加入 0.0200 莫耳 HCl 後，溶液 的 pH 值如何變化？ 10 選修化學(上) 10

範例 4-10 解答 CH3COOH ⇌ CH3COO－＋H+ [CH3COOH]＝ [CH3COONa]＝ (1) 由 故溶液的 pH 值為 4.74 11 選修化學(上) 11

範例 4-10 (2) 加入 0.0200 莫耳 HCl，發生如下反應： 由 溶液的 pH 值為 4.73 12 選修化學(上) 12

範例 4-10 (3)在純水中加入 0.0200 莫耳 HCl 後，形成鹽酸， 其濃度為 此時溶液的[H+]＝0.0200 M， 溶液的 故加入 0.0200 莫耳 HCl 後，pH 值由 7 下降至1.70， 大幅下降了 5.30。 13 選修化學(上) 13

練習題 4-10 已知 25 ℃ 時，NH3 的 Kb 值為 1.80×10－5，將 0.500 M NH3(aq) 150 毫升和 0.500 M NH4Cl(aq) 100 毫升配成緩衝溶液，回答下列問題： (1) 溶液的 pH 值為何？ (2) 加入 0.0100 莫耳 HCl 後，設體積不變， 溶液的 pH 值變為多少？ (3) 加入 0.0100 莫耳 NaOH 後，設體積不變， 溶液的 pH 值變為多少？ 14 選修化學(上) 14

練習題 4-10 解答 混合後之濃度：[NH3]＝ [NH4Cl]＝ (1) 由 故 pH＝14－4.57＝9.43 15 15 選修化學(上) 15

練習題 4-10 (2) 加入 0.010 莫耳 HCl，[HCl]＝ 發生如下反應： 如(1) 故 pH＝14－4.71＝9.29， 16 選修化學(上) 16

練習題 4-10 (3) 加入 0.010 莫耳 NaOH，[NaOH]＝ 發生如下反應： 如(1) 故 pH＝14－4.42＝9.58， 17 選修化學(上) 17

學習成果評量 下列何項混合液可當做緩衝液？ (A)莫耳數比為1：1的 CH3COOH 與 HCl (B)莫耳數比為1：1的 NaCl 與 HCl 　 (C)莫耳數比為1：1的 NaOH 與 HCl 　 (D)莫耳數比為1：1的 NaOH 與 CH3COOH (E) 2莫耳 NH3 與1莫耳 HCl 18 選修化學(上) 18

學習成果評量 在 0.01 M 的醋酸水溶液中，加入固體醋酸鈉直至在溶液中其最終濃度為 0.1 M，則將發生何種變化？ （多重選擇題） (A)醋酸在水中的解離平衡常數增大　 (B)醋酸在水中的解離平衡常數減小　 (C)最終溶液的pH值較最初的溶液為高　 (D)最終溶液pH值較最初的溶液為低　 (E)在混合液中再加入少量的 NaOH 時 pH 值變化不大 19 選修化學(上) 19

學習成果評量 已知 HCOOH 之 Ka＝1.77×10－4 ， 欲由 HCOOH 和 HCOONa 配製 pH＝3.80 的溶液時，所須 [HCOO－] / [HCOOH]＝？（log1.6 ＝0.2） 解答 反應式 HCOOH ⇌ HCOO－ ＋ H+ 代入 即 pH＝3.80＝4－0.2＝－log[H+] 得 [H+]＝1.6×10－4 M 故 20 選修化學(上) 20