医用化学/水的离子积和溶液的PH值

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医用化学

PH值与缓冲溶液
- 水的离子积和溶液的PH值
- 酸碱指示剂
- 盐类溶液的PH值
- 缓冲溶液

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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K_w，则

［H₃O⁺］［OH^-］=K_w

K_w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+］＞1.0×10-7mol.L-1＞［OH-］

在碱性溶液中［H+］＜1.0×10-7mol.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+］＞1.0×10-7mol.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）

pK_w=-lgK_w　（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^-］=-lgK_w=-lg1.0*10^-14

所以

pH+pOH=pK_w=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0.01mol.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