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第三章 PH值与缓冲溶液--第一节 水的离子积和溶液的PH值

来源:www.bioon.com 2007-08-08 21:36

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[H2O+][OH-]=K1[H2O]2

  由于水的离解度极小,[HO]数值可以看作是一个常数,令K1[H2O]2等于另一新常数Kw,则

[H3O+][OH-]=Kw

  Kw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=1.0*10-7*1.0*10-7=1.0*1014

[H+][OH-]=1.0*10-14 (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)

pKw=-lgKw (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-]=-lgKw=-lg1.0*10-14

  所以

  pH+pOH=pKw=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值与溶液酸碱性的关系

[H+] 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 PH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

  的酸

碱性 中

酸性逐渐增强性 碱性逐渐增强 POH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 [OH-] 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

  在实际应用中,PH值一般只限于0-14范围内。当 [H+]或[OH-]大于(即100)时,就不再采用PH值,而仍用[H+]或[OH-]表示溶液的酸碱性。

  必须注意,用PH值表示的是溶液的酸度或有效酸度而不是酸的浓度。酸度或有效酸度是指溶液中H+浓度,严格地说是指H+的活度,是指已离解部分酸的浓度。酸的浓度也称总酸度或分析浓度,它是指在1升溶液中所含酸的物质的量,包括已离解和未离解两部分酸的总浓度,其大小要用滴定分析来确定。酸度或有效酸度则用PH试纸或PH计来测定。潜在酸度是指未离解部分的浓度,即总酸度与有效酸度之差。例如,0.01mol·L-1HCL和0.01 mol·L-1HOAc的浓度相同,但有效酸度不同。0.01 mol·L-1HCL溶液总酸度为0.01mol·L-1,其有效酸度[H+]也是相同数值,25℃时,总酸度为0.01 mol·L-1的HOAc溶液,其有效酸度[H+]则仅为4.2×10-4mol·L-1。

  例1 分别求出0.1mol.L-1 HCl溶液和0.01mol.L-1 HOAc溶液的pH值,已知其[H+]分别为0.01mol.L-1和4.2*10-4mol.L-1

  解:HCl溶液的pH=-lg0.01=-lg10-2=2.0

HOAc溶液的pH=-lg(4.2*10-4)

=[0.62+(-4)]

=3.38

  例2 已知某溶液的pH=4.60,计算该溶液的氢离子浓度。

解:-lg[H+]=pH=4.60

lg[H+]=4.60=-5+0.40=5.40

  查0.4的反数为2.512,故

[H+]=2.512*10-5mol.L-1

  三、PH值在医学上的应用

  医学上常用PH来表示体液的酸碱性(见表3-3)。PH值在医学上具有很重要的意义,例如,正常人血浆的PH值相当恒定,保持在7.35-7.45之间,如果血液的PH值大于7.5,在临床上就表现出明显的碱中毒.反之,当血液的PH值小于7.3时,则表现出明显的酸中毒。

  测定溶液中PH值的方法很多,临床上常用PH试纸测定病人尿液的PH值。更为精确的测定PH值,要使用PH计。

表3-3 人体各种体液的PH值

体液 PH 体液 PH 血清 7.35~7.45 大肠液 8.3~8.4 成人胃液 0.9~1.5 乳 6.6~6.9 婴儿胃液 5.0 泪 7.4 唾液 6.35~6.85 尿 4.8~7.5 胰液 7.5~8.0 脑脊液 7.35~7.45 小肠液 7.6左右    
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