圖解緩衝液 (buffer solution)

圖解緩衝液 (buffer solution)

HX1 -> H + X1
K1=[H][X1]/[HX1]
[HX1]/[X1]=[H]/K1
[T1]=[HX1]+[X1]
[HX1] = [H]/([H]+K1) [T1]
[X1]  = K1/([H]+K1) [T1]

任意平衡[H]時,buffer吸納之總酸量
[HX1]+[HX2]+...+[HXn]
= {[T1][H]/([H]+K1)+[T2][H]/([H]+K2)+...+[Tn][H]/([H]+Kn)}
可知當[H]>>K1時,該項吸納接近[T1],當[H]<<K1時,該項吸納接近0

又水之K0=10^(-14), [OH]=K0/[H]
未被吸納之總酸量會形成酸鹼差[H]-[OH] = [H]-K0/[H]

[H]-K0/[H]+{[T1][H]/([H]+K1)+[T2][H]/([H]+K2)+...+[Tn][H]/([H]+Kn)}=原始總酸量
可解出[H]

又令y=ln[H], log[H]=y/ln(10)=y/2.302=0.43y
d [T1][H]/([H]+K1) /dln[H]= [T1] K1 e^y /(e^y+K1)^2
d ([H]-K0/[H]) /dln[H]= [H]+K0/[H] = e^y+K0/e^y

以圖表示的話,

可表為多個容量Ti的容器,依pKi(等於-log Ki)將中心擺在不同高度,
如果加入的是HX,就像是注滿[H]的X容器,
如果加入的是 X (如NaHCO3), 就像是空的X容器,
而裡面流動可交換的液體量則代表[H]的量

上圖表示把酸(如醋酸)加入中性水中,
醋酸會釋出[H]直到水夠酸到相當水準兩者均衡

上圖表示把多種酸(如醋酸)和鹼(如NaHCO3)加入中性水中

按pH(垂直)加總可能總合變化線

以37C的碳酸緩衝液來說,

溫度越高Ka越大,pKa1越小,37C時為6.1 ,
又每1mmHg CO2 維持水中 0.03mmol/L CO2

25mM 碳酸液 pH 3.85
25mM 小蘇打液 pH 約9.24 (若不考慮PKa2)
加入1mM HCl 時, pH 7.48
加入2mM HCl 時, pH 7.16
加入5mM HCl 時, pH 6.70
加入10mM HCl 時, pH 6.27
加入20mM HCl 時, pH 5.49
加入HCl放出H+使HCO3被中和掉,溶液中Cl-增加同等量,
形成normal anion gap的hyperchloremic acidosis


CO2 40mmHg,pH 7.4的碳酸緩衝液
加入CO2使由40增加到46mmHg時,[CO2]濃度1.2->1.38mM
pH 變7.34, 減少0.06, [HCO3]仍是24mM(變化小於0.00005mM)

Ammomium(NH4+) 37C時pKa為8.88
pH在7.4時僅NH4+:NH3=30:1
(ammonium和碳酸的pKa平均 (8.88+6.1)/2=7.49 接近於pH 7.40)

乳酸 pKa 3.86 比碳酸高很多,
在 pH 6 以上幾乎完全解離釋出 H+ ,
只要1mM 的 乳酸就可能讓 pH 從 7.48 掉到 7.16,