緩衝溶液
緩衝溶液（德語：Pufferlösung；英語：buffer solution；法語：solution tampon）指由「弱酸及其共軛鹼之鹽類」或「弱鹼及其共軛酸之鹽類」所組成的緩衝對配製的，能夠在加入一定量其他物質時減緩pH改變的溶液 [1]。
前述定義中之所以要兩種成對物質，是因為反應可以同時朝向酸或鹼來緩衝，舉例醋酸與醋酸鈉的混合溶液就是緩衝溶液。若加鹽酸，pH不會下降太快，因為鹽酸會跟醋酸鈉反應，生成醋酸。相反，若加氫氧化鈉，pH也不會增加太快，因為氫氧化鈉會跟醋酸反應，生成醋酸鈉[2]。 在許多化學反應中，緩衝溶液被用於使溶液的pH值保持恆定。 緩衝溶液對生命的產生與進化具有重要意義，因為多數生物都只能在一定pH範圍內生長，例如血液就是一種緩衝溶液。
原理
緩衝溶液之所以能減緩pH的改變是因為其中所含有的緩衝物質所形成的緩衝對，當溶液中加入少量酸性物質時，緩衝對中的鹼性組分子與之反應中和，當溶液中加入少量鹼性物質時，緩衝對中的酸性組分子與之反應中和，即同離子效應。
pH
緩衝溶液的pH可以用亨德森-哈塞爾巴爾赫方程來估算。以弱酸HA為例，HA的解離常數被定義為：
![{\displaystyle K\mathrm {_{a}={\frac {[H^{+}][A^{-}]}{[HA]}}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c7efc1d914dfb0e855febed8859112810b12a9e6)
取對數後加負號可得到：
![{\displaystyle {\mbox{pH}}={\mbox{p}}K\mathrm {_{a}+\log {\frac {[A^{-}]}{[HA]}}} .}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/12b9657342e77b67a7813c0227fdcf627ddd095a)
即亨德森-哈塞爾巴爾赫方程。式中 指緩衝對組分中的弱酸， 指其共軛鹼。顯然由此式可知，當組分中酸性物質與鹼性物質濃度相等時（此時稱作半中和，英語：half-neutralization），溶液 。所以一般配製緩衝溶液時常選取 與溶液要控制的pH值相近的弱酸。但由於離子強度的影響，緩衝溶液的pH與理論值稍有不同。如兩種在組分濃度相同的磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩衝溶液的pH是7.4（磷酸 ）。
用兩種或兩種以上調節範圍相互重疊的緩衝物質配製的緩衝溶液可以獲得更大的緩衝範圍。
應用
緩衝溶液有許多用途，例如人體血液中含有磷酸二氫根-磷酸氫根、碳酸-碳酸氫鈉等多對緩衝對，維持血液的pH在7.35至7.45之間[3]，以維持酶的活性。
在工業上，緩衝溶液常被用於調節染料的pH。緩衝溶液還可以被用於pH計的校正[4] 。
常見緩衝溶液
成分 pH調節範圍 鹽酸-檸檬酸鈉 1 - 5 檸檬酸-檸檬酸鈉 2.5 - 5.6 乙酸-乙酸鈉 3.7 - 5.6 K2HPO4-KH2PO4 5.8 - 8 [5] Na2HPO4-NaH2PO4 6 - 7.5 [6] 硼酸-氫氧化鈉 9.2 - 11
廣域緩衝溶液
兩種以上的緩衝對配製而成的溶液可以獲得更大的pH調節範圍[7]。配製緩衝溶液時常用磷酸，因為它是一種三級游離的弱酸。下面列出的緩衝溶液（稱作McIlvaine緩衝溶液[8]）pH調節範圍為（3-8）：
0.2Mol/L Na2HPO4 0.1Mol/L檸檬酸 pH... 20.55 79.45 3.0 38.55 61.45 4.0 51.50 48.50 5.0 63.15 36.85 6.0 82.35 17.65 7.0 97.25 2.75 8.0
檸檬酸、磷酸氫鉀、硼酸與二乙基巴比妥酸的pH調節範圍為2.6-12。[9]
除此之外常用的廣域緩衝溶液還有卡莫第緩衝溶液（Carmody buffer）和1931年發明的布里頓-羅賓遜緩衝溶液。
生物學實驗中常用的緩衝溶液
| 俗稱 | 25°C下的pKa |
緩衝範圍 | 溫度影響 dpH/dT (1/K) ** |
相對分 子質量 |
全稱 |
|---|---|---|---|---|---|
| TAPS | 8.43 | 7.7–9.1 | −0.018 | 243.3 | 三羥甲基甲胺基丙磺酸 |
| Bicine | 8.35 | 7.6–9.0 | −0.018 | 163.2 | N,N-雙(2-羥乙基)甘胺酸 |
| Tris | 8.06 | 7.5–9.0 | −0.028 | 121.14 | 三羥甲基胺基甲烷 |
| Tricine | 8.05 | 7.4–8.8 | −0.021 | 179.2 | N-三-(羥甲基)甲基胺基乙酸 |
| HEPES | 7.55 | 6.8–8.2 | −0.014 | 238.3 | 4-(2-羥乙基)-1-哌𠯤乙烷磺酸半鈉鹽 |
| TES | 7.40 | 6.8–8.2 | −0.020 | 229.20 | N-三(羥甲基)甲基-2-胺基乙磺酸 |
| MOPS | 7.20 | 6.5–7.9 | −0.015 | 209.3 | 3-（N-嗎啡啉）乙磺酸 |
| PIPES | 6.76 | 6.1–7.5 | −0.008 | 302.4 | 哌𠯤-N，N'-二(2-乙磺酸） |
| Cacodylate | 6.27 | 5.0–7.4 | 138.0 | 二甲基胂酸 | |
| SSC | 7.0 | 6.5-7.5 | 189.1 | 檸檬酸鈉 | |
| MES | 6.15 | 5.5–6.7 | −0.011 | 195.2 | 2-嗎啉乙磺酸 |
** 僅為近似值 [10]
參考文獻
- ^ Hädener, Alfons; Kaufmann, Heinz. Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie 14. Auflage. Birkhäuser. 2006: S.151–152. ISBN 3764370416.
- ^ Latscha, Hans-Peter; Klein, Helmut Alfons; Mutz, Martin. Allgemeine Chemie: Chemie-Basiswissen 10. Auflage. Springer. 2011: Seite 239. ISBN 3642175228 （德語）.
- ^ Scorpio, R. Fundamentals of Acids, Bases, Buffers & Their Application to Biochemical Systems. 2000. ISBN 0787273740.
- ^ Hulanicki, A. Reactions of acids and bases in analytical chemistry. Horwood. 1987. ISBN 0853123306. (translation editor: Mary R. Masson)
- ^ 存档副本 (PDF). [2010-07-05]. （原始內容 (PDF)存檔於2013-01-23）.
- ^ 存档副本. [2010-07-05]. （原始內容存檔於2008-08-29）.
- ^ Kunze, Udo R.; Schwedt, Georg. Grundlagen der quantitativen Analyse 6. Auflage. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2009: S.115–117. ISBN 352732075X.
- ^ McIlvaine, T. C. (1921). A buffer solution for colorimetric comparaison. J. Biol. Chem. 49: 183-186. http://www.jbc.org/content/49/1/183.full.pdf （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ Medham, J.; Denny, R.C.; Barnes, J.D.; Thomas, M. Vogel's textbook of quantitative chemical analysis 5th. Ed. Harlow: Pearson Education. 2000. ISBN 0 582 22628 7. Appendix 5
- ^ Buffer Reference Center. Sigma-Aldrich. [2009-04-17]. （原始內容存檔於2009-04-17）.