PH值与缓冲溶液-- 水的离子积和溶液的PH值
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第三章 PH值与缓冲溶液
溶液中进行的化学反应，特别是生物体内的化学反应，往往需要在一定的PH值条件下才能正常进行。人的各种体液都有一定的PH值，而且不容易改变，因此能保证人体正常的生理活动。人的体液之所以具有一定的PH值，是由于它本身就是缓冲溶液，具有抵抗外来少量强酸或强碱的能力，从而能够稳定溶液的PH值。学习本章的目的有三个：一是掌握PH值及其与溶液酸碱性的关系、酸碱指示剂理论；二是掌握配制缓冲溶液所需要的知识和方法；三是为后续课程学习有关体内酸碱平衡理论提供必要的基础知识。
第一节水的离子积和溶液的PH值
一、水的离子积
水是一种既能释放质子也能接受质子的两性物质。水在一定程度上也微弱地离解，质子从一个水分子转移给另一个水分子，形成H3O+和OH-。
达到平衡时，可得水的离解常数Ki
或[H 2 O + ][OH - ]=K 1 [H 2 O] 2
由于水的离解度极小，[HO]数值可以看作是一个常数，令K 1 [H 2 O] 2 等于另一新常数K w ，则
[H 3 O + ][OH - ]=K w
K w 称为水的离子积常数，简称水的离子积。上式表示在一定温度时，水中氢离子浓度与氢氧离子浓度的乘积为一常数（表3-1）。25℃时，由实验测出在纯水中[H3O+]和[OH-]各为1.0×10-‑7mol・L-1。通常将水合离子H3O+简写为H+，这样，在常温时：
表3-1 不同湿度时水的离子积
温度/℃
KW
I温度/℃
KW
0
1.2×10-15
50
5.5×10-14
10
3.0×10-15
60
9.6×10-14
20
6.8×10-15
70
1.6×10-18
25
1.0×10-14
80
2.5×10-13
30
1.5×10-14
90
3.8×10-13
40
2.9×10-14
100
5.5×10-13
K=1.undefined10 -7 ~undefined1.undefined10 -7 =1.undefined10 14
[H + ][OH - ]=1.undefined10 -14 (3-2)
由于水离解时要吸收大量的热，所以温度升高，水的离解度和KW也相应地增大。
水的离子积原理不仅适用于纯水，也适用于一切稀的水溶液。在任何稀的水溶液中，不论[H+]和[OH-]怎样改变，它们的乘积总是等于KW。
二、溶液的PH值
在纯水或中性溶液中，25℃时
当向水中加入酸时，溶液中[H+]就会增大，设达到新的平衡时该溶液的[H+]为1.0×10-2mol・L-1,因[H+][OH-]=1.0×10-14,则
可见,在酸性溶液中,[H+]＞1.0×10-7 mol・L-1,而[OH-]＜1.0×10-7 mol・L-1.
如果向纯水中加入碱时,溶液中[OH-]就会增大,设达到新的平衡时该溶液的[OH-]为1.0×10-2mol・L-1,同理计算出[H+]=1.0×10-12 mol・L-1。可见,在碱性溶液中[OH-]＞1.0×10-7mol・L-1,而[H+]＜1.0×10-7 mol・L-1。由上述三种情况可知：
在纯水或中性溶液中 [H+]=1.0×10-7 mol・L-1=[OH-]
在酸性溶液中[H+]＞1.0×10-7 mol・L-1＞[OH-]
在碱性溶液中[H+]＜1.0×10-7 mol・L-1＜[OH-]
当然，[H+]或[OH-]都可用来表示溶液中的中性、酸性或碱性，但实际应用中多采用[H+]来表示。但是，在生物学与医学上许多重要溶液的[H+]往往是一个很小的数值，而且带有负指数，用[H+]表示溶液的酸碱性不方便。例如，人的血液[H+]为0.0000000398mol・L-1,即3.98×10-8 mol・L-1,血液究竟是酸性还是碱性,不容易看清楚。索仑生（Sorensen）首先提出用PH值表示水溶液的酸碱性。
溶液的PH值是氢离子浓度的负对数值。
它的数学表示式为：pH=-lg[H + ]
即 [H + ]=10- pH（3-3） 严格地说，考虑活度时：
Pα+=lgαH+ （3-4）
必须注意，PH值每相差一个单位时，其[H+]相差10倍；PH值相差二个单位时，[H+]相差100倍；依此类推。
用PH值表示稀的水溶液的酸碱性，则有“
在纯水或中性溶液中， [H+]=1.0×10-7 mol・L-1 PH=7
在酸性溶液中， [H+]＞1.0×10-7 mol・L-1 PH＜7 ，PH越小，则酸性越强。
在碱性溶液中， [H+]＜1.0×10-7 mol・L-1 PH＞7，PH越大，则碱性越强。
和PH相仿，[OH-]和KW也可用它们的负对数来表示，即
pOH=-lg[OH - ] （3-5）
pK w =-lgK w （3-6）
由于在25℃时，[H+][OH-]=KW =1.0×10-14
将方程两边取负对数，则得
-lg[H + ]-lg[OH - ]=-lgK w =-lg1.undefined10 -14
所以
pH+pOH=pK w =14 (3-7)
水溶液中[H+]，[OH-]，PH，POH值与溶液酸碱性的关系如表3-2。
表3-2 [H+]，[OH-]，PH，POH
