4.1　缓冲溶液与缓冲原理

溶液的酸碱性是影响化学反应的重要因素之一。在溶液中进行的许多化学反应，特别是生物体内的化学反应，常常需要在一定pH值的条件下才能顺利进行，表4-1列出了正常人各种体液的pH值范围，若pH值超过一定范围，人的正常生理活动就要受到影响，导致疾病发生，严重时可危及生命。

4.1.1　缓冲溶液及其组成

（1）缓冲溶液的概念

有许多外界因素会使纯水和一般溶液的pH值发生改变，如空气中的二氧化碳，可使pH值降低。如果有少量的强酸或强碱加入溶液中，pH值的变化就更为显著了。但有这样一种溶液，当在其中加入少量强酸或强碱或稍加稀释时，溶液的pH值基本不变，这种能抵抗外加少量强酸、强碱或稍加稀释而保持溶液pH值基本不变的溶液称为缓冲溶液（buffer solution）。缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用，称为缓冲作用（buffer action）。

（2）缓冲溶液的组成

医学上常用的缓冲溶液，按照质子酸碱理论，主要由浓度足够和比例适当的共轭酸及其共轭碱两种物质组成，这两种物质合称为缓冲系（buffer system）或缓冲对（buffer pair）。此外，较浓的强酸或强碱以及两性物质有时也可作为缓冲溶液；若按照电离学说，缓冲系又可认为是由弱酸及其盐如HAc-NaAc，弱碱及其盐如NH₃-NH₄Cl，多元酸的酸式盐及其次级盐如NaH₂PO₄-Na₂HPO₄组成。一些常见的缓冲系见表4-2。

4.1.2　缓冲溶液的作用原理

缓冲溶液为什么具有缓冲作用，能抵抗外来少量的强酸或强碱呢？下面以HAc-NaAc缓冲系为例来说明缓冲溶液的作用原理。

HAc为弱电解质，在水溶液中部分解离为H₃O⁺和Ac^-；而NaAc为强电解质，在水溶液中完全解离为Na⁺和Ac^-，它们之间的质子转移平衡关系可表示为：

HAc　+　H₂O　　H₃O⁺　+　Ac^-

NaAc　　Na⁺　+　Ac^-

因为来自NaAc中Ac^-的同离子效应，抑制了HAc的解离，使HAc的质子转移平衡左移，HAc的解离度会降低，因此在水溶液中HAc几乎全部以分子的形式存在。所以在此混合体系中Na⁺、Ac^-和HAc的浓度较大，其中HAc-Ac^-为共轭酸碱对。

当外加少量强酸时，体系中大量存在的Ac^-与外加H₃O⁺作用生成HAc，使上述平衡左移，当达到新的平衡时，体系中H₃O⁺的浓度没有明显增加，pH值保持基本不变。Ac^-实际起到抵抗外加强酸的作用，故Ac^-（共轭碱）又称为抗酸成分。

当外加少量强碱时，外加的OH^-与体系中的H₃O⁺作用生成H₂O，使体系中的H₃O⁺浓度减小，上述平衡右移，大量存在的HAc将质子传递给H₂O，补充消耗的H₃O⁺。当达到新的平衡时，体系中H₃O⁺的浓度没有明显减小，pH值也保持基本不变。HAc实际起到抵抗外加强碱的作用，故HAc（共轭酸）又称为抗碱成分。

当溶液稍加稀释时，体系中各种离子的浓度都有所降低，H₃O⁺浓度虽然也降低，但溶液稀释导致同离子效应减弱，促使HAc的解离度增大。HAc进一步解离产生的H₃O⁺可使溶液的pH值保持基本不变。

总之，在缓冲溶液中同时存在足量的共轭酸和共轭碱，当外加少量强酸、强碱或稍加稀释时，通过共轭酸碱间的质子转移平衡的移动发挥抵抗作用，维持溶液的pH值基本不变。缓冲溶液是同离子效应的一个重要应用。