緩衝溶液

1. 緩衝溶液 作者：謝道任；任教學校：國立花蓮高中 ※本教案為2007思源E-teaching 金獅獎得獎教案，開放各界在著作權 法下的合理使用範圍內下載使用，並請註明教案出處及作者姓名，更 多教案歡迎至思源科技教育基金會網站 www.seed.org.tw 下載

2. 有一天，哆啦A夢問大雄一個已經學過的問題：有一天，哆啦A夢問大雄一個已經學過的問題： • 大雄，你知道人體中的「酶」，又稱為什麼嗎？ 聰明的大雄當然知道囉！ • 他說：人體中的「酶」，又可稱之為「酵素」。

3. 於是，哆啦A夢接著又說： • 那麼這些具有專一性的酵素必須在特定的溫度與環境下，例如：固定的pH值，才能發揮作用。 • 而pH值的恆定，可都是藉著「緩衝溶液」才能完成的喔！ 大雄似懂非懂地說： 咦…你說什麼「緩衝溶液」？ ? ?

4. 哆啦A夢談「緩衝溶液」 • 在某溶液中加入少量強酸或少量強鹼、加水稀釋時，其 pH 值不會發生大幅度的變化，幾乎保持不變，則此溶液即為緩衝溶液。

5. 酸型「緩衝溶液」： • 弱酸及其共軛鹼（弱酸根）共存的溶液。 例：

6. 「酸型 緩衝溶液」延伸〜 • 過量弱酸 + 少量強鹼。 例： 酸鹼中和後 CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O

7. 「酸型 緩衝溶液」延伸〜 • 過量弱酸鹽 + 少量強酸。 例： 酸鹼中和後 CH3COONa + HCl → CH3COOH + NaCl

8. 鹼型「緩衝溶液」： • 弱鹼及其共軛酸（弱鹼根）共存的溶液。 例：

9. 「鹼型 緩衝溶液」延伸〜 • 過量弱鹼 + 少量強酸。 例： 酸鹼中和後 NH4OH + HCl → NH4Cl + H2O

10. 「鹼型 緩衝溶液」延伸〜 • 過量弱鹼鹽 + 少量強鹼。 例： 酸鹼中和後 NH4Cl + NaOH → NH4OH + NaCl

11. 示範影片：

12. 討論計算式： • CH3COOH 與CH3COONa 的混合溶液。 • 溶液體積為1公升，初濃度皆為1.0(M)，假設：Ka=10-5 CH3COOH ⇌ H＋ + CH3COO－ 初條件 1.0 0 1.0 達平衡 1.0－x + x 1.0 + x

13. 因為：

14. 移項整理： 計算式：

15. 加H+： CH3COO－ + H＋ → CH3COOH 加OH－： CH3COOH + OH－ → CH3COO－ + H2O

16. 狀況一：加入少量強酸 • 混合溶液之條件同前。 • 在此溶液中加入0.01 莫耳的 HCl。 CH3COOH ⇌ H＋ + CH3COO－ 0.01 初條件 1.0 1.0 假設完全反應 1.01 0 0.99 達平衡 1.01－x + x 0.99 + x

17. 代入式子：

18. 狀況二：加入少量強鹼 • 混合溶液之條件同前。 • 在此溶液中加入0.01 莫耳的 NaOH。 CH3COOH ⇌ H＋ + CH3COO－ 0 初條件 1.0 1.0 先中和 0.99 0 1.01 達平衡 0.99－x + x 1.01 + x

19. 代入式子：

20. 狀況三：加水稀釋 • 混合溶液之條件同前。 • 加水使溶液體積加倍，則濃度減半。 CH3COOH ⇌ H＋ + CH3COO－ 0 初條件 1.0 1.0 稀釋後 0.5 0 0.5 達平衡 0.5－x + x 0.5 + x

21. 代入式子：

22. 歸納(一) • 緩衝溶液在加入少量強酸或少量強鹼、加水稀釋後的pH值變化幅度極小，幾乎保持不變。 • 緩衝溶液計算所得之 [H＋] 在 Ka附近。

23. 延伸：較高初濃度的緩衝溶液(1) • 混合溶液之條件同前，初濃度改為2.0 (M)。 • 加酸：在此溶液加入0.01 莫耳的 HCl。 CH3COOH ⇌ H＋ + CH3COO－ 0.01 初條件 2.0 2.0 假設完全反應 2.01 0 1.99 達平衡 2.01－x + x 1.99 + x

24. 代入式子：

25. 延伸：較高初濃度的緩衝溶液(2) • 混合溶液之條件同前，初濃度改為2.0 (M)。 • 加鹼：在此溶液加入0.01 莫耳的 NaOH。 CH3COOH ⇌ H＋ + CH3COO－ 0 初條件 2.0 2.0 先中和 1.99 0 2.01 達平衡 1.99－x + x 2.01 + x

26. 代入式子：

27. 歸納(二) • 緩衝溶液的初濃度愈高，pH值的變化幅度愈小，緩衝能力愈好。

28. 再延伸：不同濃度比例的緩衝溶液(1) • 醋酸初濃度為1.0 (M)、醋酸根為1.11 (M)。 • 加酸：在此溶液加入0.01 莫耳的 HCl。 CH3COOH ⇌ H＋ + CH3COO－ 0.01 初條件 1.0 1.11 假設完全反應 1.01 0 1.10 達平衡 1.01－x + x 1.10 + x

29. 代入式子：

30. 再延伸：不同濃度比例的緩衝溶液(2) • 醋酸初濃度為1.0 (M)、醋酸根為1.25(M)。 • 加酸：在此溶液加入0.01 莫耳的 HCl。 CH3COOH ⇌ H＋ + CH3COO－ 0.01 初條件 1.0 1.25 假設完全反應 1.01 0 1.24 達平衡 1.01－x + x 1.24 + x

31. 代入式子：

32. 歸納(三) • 緩衝溶液的配方濃度比值愈接近1，pH值的變化幅度愈小，緩衝能力愈好。

33. 「緩衝溶液」實例(1) 人體系統（血液或酶）：使pH值維持在7.35〜7.45 • H2CO3 – HCO3– CO2(g) + H2O(l) ⇌ H＋(aq) + HCO3－(aq) 代謝產生了酸：[H+]↑，平衡 ←，形成CO2而呼出。 強鹼物質進入： 中和H+，平衡 →，以維持氫離子濃度。

34. 「緩衝溶液」實例(1) 續. 人體系統（血液或酶）：使pH值維持在7.35〜7.45 • H2PO4–– HPO42– H2PO4–(aq) ⇌ H＋(aq) + HPO42– (aq) 代謝產生了酸：平衡 ←，生成 NaH2PO4 鹽類排出。 強鹼物質進入：平衡 →，生成 Na2HPO4 鹽類排出。

35. 「緩衝溶液」實例(2) • 運動飲料 緩衝溶液組成？ 檸檬酸 + 檸檬酸鈉

36. 「緩衝溶液」實例(3) • 隱形眼鏡殺菌保養液 內含：H2O2、NaCl、…等， 並以磷酸鹽類作為緩衝系統。

37. 喔！我了解了。 所以「緩衝溶液」在生物體中扮演著非重重要的角色呢！ • 嗯！那麼就來練習「緩衝溶液」的精選例題吧。