實驗九緩衝溶液

(1)

實驗九緩衝溶液

2015

第 12 組

0033B039 孫敏育 0033B035 范郡庭

實驗日期 | 3/25、4/1

(2)

 實驗紀錄及結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 1

 實驗結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 8

 問題與討論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧13

 實驗誤差與討論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16

 實驗心得‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17

 補充資料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18

 實驗分工細目表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19

(3)

一、實驗紀錄及結果

1.紀錄並計算一滴 HCl 或 NaOH 溶液之平均體積。

滴數 體積(mL) 平均體積(mL/滴)

1M HCl 1 0.02 0.02

1M NaOH 1 0.02 0.02

2.紀錄(a)〜(j)溶液每次滴加酸或鹼之 pH 值。

補充說明：

實測 pH 值：溶液加酸或加鹼的 pH。

修正 pH 值：因為相同溶液有 2 杯，準備加酸的初始 pH 與準備加鹼的初始 pH 有些許不同，故以加 酸為標準，將加鹼的曲線平移到 0 滴時與加酸的曲線 0 滴的 pH 相等。

※測量溫度：20.1℃

※校正酸鹼度測定計：

第一標準液(pH7)mV 第二標準液(pH4)mV 斜率 誤差(%)

標準值(助教設定) 2 167 55 0

3/25 第一次實驗 3 172 56.33 2

4/1 第二次實驗 1 175 58 5

(4)

計算如下：

斜率=│第一標準液(pH7)mV−第二標準液(pH4)mV│

│pH7−pH4│

誤差=^{實驗值−標準值}

標準值

◎標準值之斜率=^{│2−167│}

│7−4│ = ¹⁶⁵

3 = 55 標準值之誤差=⁵⁵⁻⁵⁵

55 = 0%

◎3/25 第一次實驗之斜率=^{│3−172│}

│7−4│ =¹⁶⁹

3 = 56.33 3/25 第一次實驗之誤差=^56.33−55

55 ≅ 2%

◎4/1 第二次實驗之斜率=^{│1−175│}

│7−4│ =¹⁷⁴

3 = 58 4/1 第二次實驗之誤差=⁵⁸⁻⁵⁵

55 ≅ 5%

(5)

(a)0.05M 醋酸/醋酸鈉 (b)0.027M 醋酸/醋酸鈉

1M HCl 實測 pH 值修正 pH 值 1M HCl 實測 pH 值修正 pH 值

5 drop/- 4.51 4.51 5 drop/- 4.42 4.42 4 drops/- 4.53 4.53 4 drops/- 4.46 4.46 3 drops/- 4.57 4.57 3 drops/- 4.51 4.51 2 drops/- 4.59 4.59 2 drops/- 4.57 4.57 1 drops/- 4.60 4.60 1 drops/- 4.62 4.62 0 drops/- 4.65 4.65 0 drops/- 4.68 4.68

1M NaOH 實測 pH 值修正 pH 值 1M NaOH 實測 pH 值修正 pH 值

0 drops/+ 4.68 4.65 0 drops/+ 4.72 4.68 1 drops/+ 4.73 4.7 1 drops/+ 4.77 4.73 2 drops/+ 4.74 4.71 2 drops/+ 4.81 4.77 3 drops/+ 4.78 4.75 3 drops/+ 4.85 4.81 4 drops/+ 4.82 4.79 4 drops/+ 4.91 4.87 5 drops/+ 4.86 4.83 5 drops/+ 4.93 4.89

(6)

(c)0.017M 醋酸/醋酸鈉 (d)0.05M 醋酸

(7)

(e)0.05M 醋酸鈉 (f)蒸餾水

(8)

(g)0.05M 醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc^-(1:5)

(h)0.05M 醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc^-(1:2)

(9)

(i)0.05M 醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc^-(2:1)

(j)0.05M 醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc^-(5:1)

(10)

二、實驗結果

(一)濃度與緩衝容量

1.以修正 pH 值為縱軸，未加酸及加鹼的滴數共十一點為橫軸，作圖。

(1) a、b、c 組溶液的 pH 值變化圖形

(2) a、d、e、f 組溶液的 pH 值變化圖形。

3.5 4 4.5 5 5.5

- 5 - 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 5

pH 值

HCl/NaOH 滴數

abc組溶液之pH值變化圖形

(a)0.05M醋酸/醋酸鈉 (b)0.027M醋酸/醋酸鈉 (c)0.017M醋酸/醋酸鈉

滴定HCl滴數滴定NaOH滴數

0 2 4 6 8 10 12

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

pH 值

HCl/NaOH 滴數

adef組溶液之pH值變化圖形

(a)0.05M醋酸/醋酸鈉 (d)0.05M醋酸

(e)0.05M醋酸鈉 (f)蒸餾水

(11)

2.取未加酸鹼及滴加 1 及 2 滴酸或鹼共五點，作圖。同時作最小方差直線，求出其斜率(即 ^∆pH

1 滴酸

)。

(1) a、b、c 組溶液圖形

(2) a、d、e、f 組溶液圖形。

(a)y = 0.034x + 4.65 (b)y = 0.051x + 4.674

(c)y = 0.076x + 4.672

4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 4.7 4.75 4.8 4.85

- 2 - 1 0 1 2

pH 值

HCl/NaOH 滴數

abc組溶液之五點作圖

(a)0.05M醋酸/醋酸鈉 (b)0.027M醋酸/醋酸鈉 (c)0.017M醋酸/醋酸鈉

(a)y = 0.034x + 4.65 (d)y = 0.148x + 2.964 (e)y = 1.272x + 8.128 (f)y = 2.106x + 6.748

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

-2 -1 0 1 2

pH 值

HCl / NaOH滴數 adef組溶液之五點作圖

(a)0.05M醋酸/醋酸鈉

(d)0.05M醋酸

(e)0.05M醋酸鈉

(f)蒸餾水

(12)

3.綜合上題作圖數據，算出各溶液的緩衝容量。

(實驗中使用緩衝溶液體積為 30mL，酸鹼的當量濃度為 1N)。

緩衝容量(meq/L ∙ pH) = 1

斜率(滴/pH) × V_滴(mL/滴) × N(eq/L) ×1000(𝑚𝐿/𝐿) 30(𝑚𝐿)

溶液編號 緩衝容量(𝐦𝐞𝐪/𝐋 ∙ 𝐩𝐇)

a 19.61

b 13.07

c 8.77

d 4.50

e 0.52

f 0.32

※緩衝容量越大,對抗酸鹼溶液 pH 變化的能力越強。

※詳細計算如下：括弧內為溶液編號

(a)緩衝容量 = ¹

0.034× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =19.61(meq/L ∙ pH) (b)緩衝容量 = ¹

0.051× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =13.07(meq/L ∙ pH) (c)緩衝容量 = ¹

0.076× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =8.77(meq/L ∙ pH) (d)緩衝容量 = ¹

0.148× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =4.50(meq/L ∙ pH) (e)緩衝容量 = ¹

1.272× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =0.52(meq/L ∙ pH) (f)緩衝容量 = ¹

2.106× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =0.32(meq/L ∙ pH)

(13)

(二) [HOAc]/[OAc^-]比例與緩衝容量

1.將 a、g、h、i、j 五種溶液之結果繪於另一圖上。

2.同上，取未加酸鹼及滴加 1 及 2 滴酸或鹼共五點，作圖及最小方差直線，求出其斜率(即 ^∆pH

1 滴酸鹼

)。

3.5 4 4.5 5 5.5 6

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

pH 值

HCl/NaOH 滴數 aghij組溶液之pH變化圖形

(g)0.05M醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc-(1:5)

(h)0.05M醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc-(1:2)

(i)0.05M醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc-(2:1)

(j)0.05M醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc-(5:1)

(a)y = 0.034x + 4.65 (g)y = 0.019x + 5.35 (h)y = 0.032x + 4.986

(i)y = 0.015x + 4.33 (j)y = 0.054x + 4.002

3.5 3.7 3.9 4.1 4.3 4.5 4.7 4.9 5.1 5.3 5.5

-2 -1 0 1 2

pH 值

HCl/NaOH 滴數 aghij組溶液之五點作圖

(g)0.05M醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc-(1:5) (h)0.05M醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc-(1:2) (i)0.05M醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc-(2:1) (j)0.05M醋酸/醋酸鈉 HOAc/OAc-(5:1)

(14)

3.同上，計算此五種溶液之緩衝容量。

溶液編號 緩衝容量(𝐦𝐞𝐪/𝐋 ∙ 𝐩𝐇)

a 19.61

g 35.09

h 20.83

i 44.44

j 12.35

※緩衝容量越大,對抗酸鹼對溶液 pH 變化的能力越強。

※詳細計算如下：括弧內為溶液編號

(a)緩衝容量 = ¹

0.034× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =19.61(meq/L ∙ pH)

(g)緩衝容量 = ¹

0.019× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =35.09(meq/L ∙ pH)

(h)緩衝容量 =_0.032¹ × 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =20.83(meq/L ∙ pH)

(i)緩衝容量 = ¹

0.015× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =44.44(meq/L ∙ pH)

(j)緩衝容量 = ¹

0.054× 0.02 × 1 ×¹⁰⁰⁰

30 =12.35(meq/L ∙ pH)

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三、問題與討論

Q1. 請列表表示溶液 a、b、c 濃度與緩衝容量之結果，並討論濃度對緩衝容量的影響。

溶液編號 溶液名稱 溶液濃度(M) 緩衝容量(𝐦𝐞𝐪/𝐋 ∙ 𝐩𝐇) a

醋酸/醋酸鈉

0.05 19.61

b 0.027 13.07

c 0.017 8.77

※緩衝容量

→為緩衝溶液(Buffer solution)緩衝能力的指標

→一般定義為緩衝溶液其 pH 值沒有顯著改變時，所加入的強酸或強鹼的量。

→緩衝容量越大，對抗酸鹼對溶液 pH 變化的能力越強。

A1：

(1) 緩衝溶液的緩衝容量受到緩衝溶液的濃度影響。

(2) 當緩衝溶液濃度越高，緩衝能力即緩衝容量也越高。

(16)

(3) 將 a 溶液、b 溶液和 c 溶液做比較，其差別為各溶液濃度分別為 0.05M、0.027M 和 0.017M。

(醋酸 pK_a = 4.74)

混合的醋酸與醋酸鈉 pH = 4.74 + log (0.05/0.05) = 4.74，緩衝範圍為 pK_a±1 ，

∆pH = 1 = log^[A−]

[HA] (Henderson─Hasselbalch equation) [A^-] ＝ 10 ‧[HA]

假設需加入鹼Ｘ mol 於 0.05 M 緩衝溶液(a 溶液)，

0.05 + X = 10 (0.05 - X)，X = 0.04

若緩衝溶液濃度為 0.027 M 時(b 溶液) 0.027 + X = 10 (0.027 - X)，X = 0.02

若緩衝溶液濃度為 0.017 M 時(c 溶液) 0.017 + X = 10 (0.017 - X)，X = 0.01

由上述計算式，顯示三者在最大緩衝範圍內所能加入的鹼的量相差分別是 2 倍(a 和 b 相比、b 和 c 相比)、4 倍(a 和 c 相比)。由此可知，在相同共軛弱酸鹼比例下，較高濃度的緩衝溶液具有較佳 的緩衝能力與較大的緩衝容量。

(4)三者溶液之緩衝能力比較：a(0.05M)>b(0.027M)>c(0.017M)

(17)

Q2. 請列表表示溶液 a、g、h、i、j 之[HOAc]/[OAc^-]比例與緩衝容量之結果，並討論[HOAc]/[OAc^-]比例對

緩衝容量之影響。

溶液編號 溶液名稱 [HOAc]/[OAc^-]比例 緩衝容量(𝐦𝐞𝐪/𝐋 ∙ 𝐩𝐇) a

0.05M 醋酸/醋酸鈉

1:1 19.61

g 1:5 35.09

h 1:2 20.83

i 2:1 44.44

j 5:1 12.35

(1)緩衝容量之定義可以寫為下列式子：

其中β為緩衝容量，Ca與 Cb分別為加入強酸或強鹼用於改變單位 pH 的濃度。而加入酸，pH 是下降的；因而必須補上負號。依此式可知緩衝容量越大，對抗酸鹼溶液 pH 變化的能力越強。

(2)緩衝溶液的 pH 值由弱酸的 pKa 和其弱酸與弱酸鹽的比例來決定。

根據Henderson─Hasselbalch equation，pH = pKa + log^[𝐴−]

[𝐻𝐴]

若 pH=pKa，_log^[𝐴−]

[𝐻𝐴]= 0,即[HA] ＝ [A^-]

所以弱酸與其共軛鹼以 1:1 混合形成的時緩衝溶液可以有最好的緩衝效果。當兩者的比例差距較大時，此時較少的一方便難以再提供緩衝效果，因此其緩衝容量就會受到影響而較小。一般而言，我們配製緩衝溶液時，所選定的 pH 值，會限制在該共軛酸鹼對之 pKa±1 的範圍之內，也就是兩者的濃度差異最多差異十倍。超過 pKa±1 範圍，緩衝系統內沒有足夠的弱酸或弱鹼可以和加入的酸鹼反應，

喪失了緩衝的功能。

(3)根據實驗數據顯示，在醋酸/醋酸鈉比例為 2:1 時有最大的緩衝容量。此項結果顯示 HOAc(即醋酸) 之濃度應不足 0.05M，即未與醋酸鈉是同一濃度。導致緩衝系統內沒有足夠的弱酸可以與加入的酸鹼反應，使該緩衝溶液失去其應有功效。

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四、實驗誤差討論

(1)HOAc 和 NaOAc 是否有調配至正確濃度：根據本次實驗數據所顯示的誤差，HOAc 和 NaOAc 之 調配均未條配至正確濃度，導致緩衝系統中弱酸與弱鹼未有足夠的量來和滴加的強酸 or 強鹼做反應，導致緩衝溶液失去其作用。

(2)將 HOAc、NaOAc 和蒸餾水配置溶液時，溶液攪拌均勻與否：調配三者溶液時，需使用加熱攪拌 器以及攪拌子來協助將其攪拌均勻，倘若未攪拌均勻，將導致其緩衝溶液喪失其緩衝能力。

(3)調配好之 HOAc 和 NaOAc 取樣精準與否：若未取樣精準，則會使緩衝溶液中酸鹼比例失衡，進 而導致緩衝溶液失效。

(4)酸鹼度測定計校正準確與否：在使用酸鹼度測定計時，需先用 pH7 和 pH4 標準液來做校正，而校 正過程中可能因為旋轉校正刻度錯誤，或者是未待數值跳動停止等因素，造成校正不準確，進而影響之後時實驗測定數值之誤差，易導致全體實驗數據之誤差。

(5)探針清洗確實與否：每當改變溶液時，須將溫度探針與酸鹼度探針以蒸餾水清洗，並用拭淨紙將多 餘水分去除，但不能摩擦到酸鹼度探針之頂端白色薄膜，否則將酸鹼度探針將失去探測功能。在未完全去除多餘水分的情況下，探針可能沾有前一杯之溶液，導致判斷下一杯之酸鹼度失準。

(6)數值判讀錯誤：當探針探測到溶液酸鹼度與溫度時，會顯示在酸鹼度測定計之儀表板上，但數值會 應為探針放置於燒杯內位置不同而不同，倘若未將酸鹼度探針置於液面下，所測之數值為不準確的數據。而將探針放置妥當後，在未達該溶液應有之酸鹼度時，數值會呈現上下波動狀態，應等待至數值不再跳動時，此數值才是探針所測到之正確數值，再將其紀錄即可。

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五、實驗心得：

郡庭：

這次的實驗課也分成兩個禮拜完成，在實驗過程中我們幾乎都很順利完成了課堂上要達到的目標數。這一次使用酸鹼度測定計中印象最深刻的部分是在清洗電極和測定蒸餾水 pH 值的時候，清洗電極在這次實驗中是很重要的一環，每測完一次就要清洗一次，使它測量的準確度達到最高，再加上聽見一支電極的昂貴價格後，我們又更加小心地對待它了；在測定蒸餾水時測出 pH8 點多的時候還以為自己測錯，又再測了一次，發現其他組也和我們一樣的時候就稍稍放心些。要是沒有用酸鹼度測定計來測取蒸餾水的 pH 值，我們都會一直認為他的 pH 值是 7。這也說明了，實際上有很多東西和我們所認知的是不同的，要經過一次次的實驗和數據的觀察中慢慢發現，而這件事也就是我在其中學到的很重要的一件事，事情不能只看表面，其中有很多的不同之處。

敏育：

於配置緩衝實驗藥劑時，常因微量分注器使用不夠熟捻，導致吸取藥劑時於 tip 管內殘留空氣氣泡，需要重新再次吸取藥劑，造成藥劑配置上的耗時，也使燒杯中藥劑暴露於空氣中過久，藥劑隨時間流逝而蒸發，導致配置藥劑量與實驗本上有所出入，進而使實驗數據計算上的誤差。

本次實驗需要十足的細心與耐心來完成，由於實驗需要重複操作相同步驟多次，不管是器材架設、

藥品取樣、清洗探針、攪拌藥劑、數值判讀等。在結束實驗後，須將數據做整理並作圖，以及探討實驗數據所呈現的意義為何。透過本次實驗繁瑣的過程中無不是在培養我們對於實驗熟悉與否，當熟悉實驗時，做起實驗來自然是流暢，實驗結束後的數據處理更是清晰明瞭，亦使自身確實學習到緩衝溶液實驗的精隨所在。

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六、補充資料

「你是酸性體質 or 鹼性體質?─探討人體血液中的緩衝作用」

你知道，當你的身體變成酸性體質時，有多大的危機嗎?解決之道則是常聽聞的「吃鹼性食物改變酸性體質」「酸性食物不能多吃」。這樣弔詭傳說是流傳甚廣。於是人們一頭霧水：食物到底有沒有

「酸鹼性」，如果有的話，對健康又有什麼樣的影響呢？

我們先從人體的酸鹼性說起。人的新陳代謝由無數生化反應組成，每一個反應都需要特定的酸鹼環 境。血液對生命活動的進行至關重要，亦是人體中重要的生理緩衝溶液（buffer solution）。維持血 液 pH 值的穩定，會使的體內許多生化反應得以順利進行。正常血液的 pH 值維持在 7.40±0.05 之間。若在人體生理代謝過程中，造成血液 pH 值低於 7.35 容易引起酸中毒（acidosis），或血液 pH 值高於 7.45 容易引起鹼中毒（alkalosis）。當 pH 值低於 6.8 或高於 7.8 時，就會有生命的危險。其 pH 非常精確地維持在 7.35 到 7.45 之間。

人體血液中含有數種緩衝對（buffer pair）如 H₂CO₃/HCO₃^-、HCO₃^-/CO₃^2-、H₃PO4/H₂PO₄^-、 H₂PO₄^-/HPO₄^2-…等；透過這些共軛酸鹼對的共同作用，使得血液的 pH 值維持穩定。在人體血液中 pH 值的調節，主要是依賴血液中 H₂CO₃/HCO₃^-緩衝溶液系統來維持。透過此系統能緩衝代謝所產 生的酸、鹼或者大量飲水所造成體液的稀釋狀態，使血液 pH 值得以維持在上述正常的範圍。

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一般而言，肉、蛋等高蛋白食物和米、面等高澱粉食物中含有較多的硫、磷等元素，代謝之後會生成酸性物質；而蔬菜、水果、奶等食物中含較多鉀、鈣等礦物質，代謝產物的鹼性較強。一定要按照這種標準去把食物分為「酸性」和「鹼性」，也可以自圓其說。而且，按照這種標準劃分出來的鹼性食物，比如水果、蔬菜、奶等，正是推薦「多吃」的「健康食品」；而「酸性食物」比如肉、蛋、澱粉，正是推薦「少吃」的食物種類。

1930 年代就有學術論文探討過此事。橘子、牛奶、香蕉都是典型的「鹼性食品」，一次性地分別喝下一升橘子汁或者牛奶，或者吃下一斤香蕉，沒有觀察到血液 pH 值發生變化。而吃下近一斤肉，

四位實驗者中有三位的血液 pH 值沒有發生變化，另一位發生的些許變化也很快恢復了。也就是說，

不管是「酸性食物」還是「鹼性食物」，在正常飲食範圍內都不會對人體血液的酸鹼性產生影響。

補充資料來源：

http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=6463

http://www.cmoney.tw/notes/note-detail.aspx?nid=25449

實驗九 緩衝溶液