PH值与缓冲溶液--　水的离子积和溶液的PH值

 

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