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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

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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」。

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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」？

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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。

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酸型「緩衝溶液」：

① 弱酸及其共軛鹼（弱酸根）共存的溶液。

例：假設濃度皆為 0.1 M 的溶液CH3COOH

（醋酸）CH3COONa

（醋酸鈉）

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NaOH

「酸型 緩衝溶液」延伸〜

A. 過量弱酸 + 少量強鹼。例： 0.1 M 、 10 m

L

CH3COOH

0.1 M 、 5 mL

NaOH酸鹼中和後

CH3COONa+ →CH3COOH + H2O

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「酸型 緩衝溶液」延伸〜

B. 過量弱酸鹽 + 少量強酸。例： 0.1 M 、 10 m

L

CH3COONa

0.1 M 、 5 mL

HCl酸鹼中和後

HCl CH3COOH+ →CH3COONa + NaCl

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鹼型「緩衝溶液」：

② 弱鹼及其共軛酸（弱鹼根）共存的溶液。

例：濃度皆為 0.1 M 的溶液NH3 + H2O

（ NH4OH 氨水）

NH4Cl

（氯化銨）

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「鹼型 緩衝溶液」延伸〜

A. 過量弱鹼 + 少量強酸。例： 0.1 M 、 10 m

L

NH3 + H2O

（ NH4OH 氨水）

0.1 M 、 5 mL

HCl酸鹼中和後

HCl NH4Cl+ → + H2O NH4OH

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NaOH

「鹼型 緩衝溶液」延伸〜

B. 過量弱鹼鹽 + 少量強鹼。例： 0.1 M 、 10 m

L

NH4Cl

0.1 M 、 5 mL

NaOH酸鹼中和後

NH4OH+ →NH4Cl + NaCl

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示範影片：

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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

1.0 + x+ x1.0－ x達平衡

1.001.0初條件

CH3COO －+H ＋ ⇌ CH3COOH

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KaCOOHCH

]COOCH[]H[

3

3

因為：

510

x0.1

]x0.1[]x[

000.5pH

)M(10]H[ 5

14

]COOCH[

]COOHCH[Ka]H[

3

3

][

][Ka]H[

弱酸的根弱酸

移項整理：

計算式：

510

x0.1

]x0.1[]x[

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加 H+ ：CH3COO － + H ＋ →

CH3COOH

加 OH －：CH3COO －+ OH － →CH3COOH + H2O

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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 。

0.9901.01假設完全反應

1.00.011.0初條件

CH3COO －+H ＋ CH3COOH

0.99 + x+ x1.01－ x達平衡

⇌

17

]x99.0[

]x01.1[10]H[ 5

• 代入式子：][

][Ka]H[

弱酸的根弱酸

991.4pH

)M(1002.1]H[ 5

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 。

1.0100.99先中和

1.001.0初條件

CH3COO －+H ＋ CH3COOH

1.01 + x+ x0.99－ x達平衡

⇌

19

]x01.1[

]x99.0[10]H[ 5

• 代入式子：][

][Ka]H[

弱酸的根弱酸

009.5pH

)M(1098.0]H[ 5

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。

0.500.5稀釋後

1.001.0初條件

CH3COO －+H ＋ CH3COOH

0.5 + x+ x0.5－ x達平衡

⇌

21

]x5.0[

]x5.0[10]H[ 5

• 代入式子：][

][Ka]H[

弱酸的根弱酸

000.5pH

)M(10]H[ 5

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歸納 ( 一 )

最初的緩衝溶液

加入少量強酸

加入少量強鹼

加水稀釋

pH 值 5.000 4.991 5.009 5.000

1.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。

2.緩衝溶液計算所得之 [H ＋ ] 在 Ka 附近。

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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 。

1.9902.01

2.00.012.0初條件

CH3COO －+H ＋ CH3COOH

1.99 + x+ x2.01－ x達平衡

假設完全反應

⇌

24

]x99.1[

]x01.2[10]H[ 5

• 代入式子：][

][Ka]H[

弱酸的根弱酸

996.4pH

)M(1001.1]H[ 5

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 。

2.0101.99先中和

2.002.0初條件

CH3COO －+H ＋ CH3COOH

2.01 + x+ x1.99－ x達平衡

⇌

26

]x01.2[

]x99.1[10]H[ 5

• 代入式子：][

][Ka]H[

弱酸的根弱酸

004.5pH

)M(1099.0]H[ 5

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歸納 ( 二 )

最初的

緩衝溶液

緩衝溶液 1.0 (M)緩衝溶液 2.0

(M)

加入少量強酸

加入少量強鹼

加入少量強酸

加入少量強鹼

pH值 5.000 4.991 5.009 4.996 5.004• 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。

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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 。

1.1001.01

1.110.011.0初條件

CH3COO －+H ＋ CH3COOH

1.10 + x+ x1.01－ x達平衡

假設完全反應

⇌

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]x10.1[

]x01.1[10]H[ 5

• 代入式子：][

][Ka]H[

弱酸的根弱酸

037.5pH

)M(1018.9]H[ 6

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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 。

1.2401.01

1.250.011.0初條件

CH3COO －+H ＋ CH3COOH

1.24 + x+ x1.01－ x達平衡

假設完全反應

⇌

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]x24.1[

]x01.1[10]H[ 5

• 代入式子：][

][Ka]H[

弱酸的根弱酸

089.5pH

)M(1015.8]H[ 6

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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。

最初的

緩衝溶液

加入 0.01 莫耳的 HCl 後醋酸 (M) 1.0 1.0 1.0

醋酸根 (M) 1.0 1.11 1.25

醋酸 / 醋酸根 1.0 0.9 0.8

5.000 pH 值 4.991 5.037 5.089

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「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

① H2CO3 – HCO3–

H ＋(aq) + HCO3

－(aq)CO2(g) + H2O(l)

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。

⇌

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「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

② H2PO4–

– HPO42–

H ＋(aq) + HPO4

2– (aq)H2PO4

–(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

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「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。

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嗯！那麼就來練習「緩衝溶液」的精選例題吧。

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！