一般 弱酸 或 弱碱 与其盐(强 电解质 )的 混合物 显有缓冲作用,具有这种作用的系统称为缓冲系统。在缓冲系统中虽有的以固态加入,但大多数情况全部物质都进行溶解,此称为缓冲液( 缓冲器 solution)。缓冲物质在农业、食品保存与医药等方面应用广泛,例如在缓释药物和治疗胃酸过多的抗酸片中都有应用。
基本介绍
人体在 新陈代谢 过程中,会产生许多酸性物质,如 DL-乳酸 、 碳酸 ;人的食物(如蔬菜、水果)中往往含有一些碱性物质,如 碳酸钠 。这些酸性和碱性的物质进入血液,就会使血液的PH发生变化。但是,通过实际测定发现,正常人血液的PH通常在7.35-7.45之间,变化范围是很小的。血液中含有许多对对酸碱度起缓冲作用的物质——缓冲物质,缓冲物质大都是由一种 弱酸 和相应的一种 强碱 盐组成的。这样,由于血液中缓冲物质的调节作用,可以使血液的酸碱度不会发生很大的变化,从而维持在相对稳定的状态。
溶液的pH可由酸及其盐的浓度比的改变而适当决定。当在此溶液中加入强碱BOH,它与溶液中的弱酸HA之间发生HA+B+OH-→H2O+B A-的 中和反应 ,此时OH-消失。另外在加入 强酸 Ha时,与盐MA起反应,而成为M+A-+H +a-→HA+M+a-,此时则H消失。这样弱酸及其盐的混合溶液都消除了所加入的H和OH-离子。 弱碱 及其盐的混合溶液也是一样的。生物体的 原生质 和 血浆 等是具备这样性质的一种缓冲液,因此常显示保持一定pH的倾向(衡稳状态)。构成生物体内的缓冲系统的 无机酸 或盐类,是 碳酸 和 碳酸氢盐 (碳酸缓冲系统)以及亚 磷酸盐 与磷酸盐(磷酸缓冲系统),在血液中前者起主要作用,在组织 细胞 中后者起主要作用,但成为 两性离子 的 蛋白质 (在血液中是 血色素 和血浆蛋白)或氨基酸的作用也很大。还有在生物学实验中,用作器官或组织的介质的溶液常常需要缓冲液,为此有磷酸缓冲液, 冰醋 缓冲液等各种配方。
根据 化学 上的缓冲作用原理,我们人为地把它们归纳为四个主要的缓冲对,即NaHCO3/H2CO3,Na2HPO4/ 磷酸二氢钠 ,B. 血浆 蛋白/H.血浆蛋白,B.Hb/H.Hb。缓冲物质可以是 弱碱 或 弱酸 ,通常把缓冲物质添加到水中或其他 溶剂 中以制成 缓冲溶液 ,以起到缓冲作用。
原理
弱酸和与其对应的弱酸盐(或弱碱和与其相对应的弱碱盐)可以形成一对缓冲对。当溶液中加入少量酸性物质时,缓冲对中的碱性组分与之反应中和,当溶液中加入少量碱性物质时,缓冲对中的酸性组分与之反应中和。由 勒夏特列原理 ,平衡均向减弱pH变化方向移动,使溶液酸碱度大体保持不变。由亨德森-哈塞尔巴尔赫 方程 。
式中HA指缓冲对组分中的酸性物质,A指碱性物质。由该式也可看出,当加入的物质浓度不大时,该溶液的pH基本不变。
缓冲指数是衡量缓冲物质调节溶液pH能力大小的参数,即在单位体积某浓度 缓冲溶液 中使pH值改变一个单位时,所需加 一元强酸 或 一元强碱 的物质的量。
应用
农业
缓冲物质在农业上有较多应用,常用于调节土壤pH值以防止土壤板结或保持肥力。如 磷酸二氢钾 与 磷酸氢二钾 组成的缓冲对。这一物质一般呈弱酸性,常与 尿素 或 磷酸铵 肥料一起,以最大限度地减少pH值的波动,防止氮的损失,同时提供钾离子作为 钾肥 。
人体
缓冲物质对人体内环境 稳态 的调节具有重要作用。人体血液中含有磷酸二氢根-磷酸氢根、 碳酸 碳酸氢钠 等多对缓冲对,维持血液的pH在7.35至7.4之间。其中特别重要的是碳酸-碳酸氢钠缓冲对。当人体内酸性物质增多时,如剧烈运动使机体无氧呼吸积累 DL-乳酸 ,此时碳酸氢钠与酸性物质反应生成碳酸;当人体内碱性物质增多时,如代谢产氨增加,此时碳酸与碱性物质反应生成碳酸氢钠。人体内碳酸过多时又会分解为水与 二氧化碳 ,通过刺激 脑干 呼吸中枢通过加快呼吸排出体外;人体内碳酸氢钠过多时又会通过一系列代谢生成 碳酸钠 经肾通过排尿排出体外。
医药
在医药领域,缓冲物质的应用同样重要。例如,缓释阿司匹林中含有一些缓冲物质,例如 氧化镁 ,使药物在经过病人的胃部时不会因与 胃酸 作用而改变其pH使药物失效。缓冲物质的另一种应用是用于治疗胃酸过多的抗酸片,可使胃中过多胃酸得到中和。