对《基础化学缓冲液实验》教学的改进

发布时间：2011-10-13 16:31所属分类：临床医学论文浏览：1次加入收藏

对《基础化学缓冲液实验》教学的改进 杨雪 摘要：配制缓冲溶液是医学实验研究最基本的实验技术之一。现有的基础化学缓冲液实验教学对缓冲容量这一概念强调不足，不足以帮助学生理解缓冲容量的概念。新改动的实验通过逐点记录，计算机excel绘图，使学生直观的

对《基础化学缓冲液实验》教学的改进
杨雪

摘要：配制缓冲溶液是医学实验研究最基本的实验技术之一。现有的基础化学缓冲液实验教学对缓冲容量这一概念强调不足，不足以帮助学生理解缓冲容量的概念。新改动的实验通过逐点记录，计算机excel绘图，使学生直观的看到缓冲曲线，加强对理解缓冲容量的概念和影响缓冲溶液的因素的理解。
关键字：教学 基础化学　实验 缓冲溶液
配制缓冲溶液是医学实验研究最基本的实验技术之一。配制缓冲溶液的一般程序是：根据缓冲溶液的pH要求选择合适的弱酸和其共轭碱缓冲体系，更精确的pH理论调控可以通过改变缓冲体系的相对比例实现，具体缓冲溶液pH配制操作需要通过pH检测计条件下加入一定量的酸/碱来完成。缓冲溶液具有抵抗少量酸/碱和稀释时保持溶液pH相对恒定的作用。缓冲溶液的缓冲能力的大小可以用缓冲容量来度量，被定义为缓冲溶液pH发生一定改变时加入单价酸/碱物质的量。
新旧实验设计对比：
原实验设计是配制0.1mol/L醋酸缓冲溶液A（20ml、pH=4.60）；配制0.2mol/L磷酸缓冲溶液B 60ml（分三等份、每份20ml、pH=7.40），前二份分析抗酸（或碱）性，后一份C（20ml）分析抗稀释性；整体实验以0.9%生理盐水D为对照。
虽然本实验可以得出缓冲溶液具有抗少量酸、碱和稀释时具有保持溶液pH相对恒定的作用，但是这种作用是在一个0.25ml HCl（或NaOH）的检测点上完成，这种实验设计不足以让学生充分、深刻理解缓冲溶液的性能。
新实验设计改进为：对A、B、D三组缓冲溶液体系（C组未涉及酸碱反应在此不作改动），每次滴加0.1ml HCl/NaOH，每滴加一次测一次PH值输入电脑，最终利用excel作图，建立缓冲溶液滴定曲线（简称：缓冲曲线）的测定程序。
值得一提的是：新实验设计并没有添加任何新的检测试剂，只是在原有的测定程序中增加了一点操作时间，一些实验原始数据的记录点。就可以让初学者显而易见的理解缓冲溶液的性能。
实验结果：
新实验设计可以得出A、B、D三条缓冲曲线（如下图所示）。

 

0.1mol/L醋酸缓冲溶液A，0.2mol/L磷酸缓冲溶液B缓冲曲线中，可以形成缓冲溶液特有的缓冲平台，标志缓冲溶液的作用范围。缓冲平台内的pH变化不大（约2个pH单位），平台两端具有明显的曲线拐点，之间形成拐点区域中心，此中心相当于弱酸的pKa。显然，不同缓冲体系具有各自的弱酸pKa拐点区域中心。无缓冲作用的0.9%生理盐水D不能形成缓冲溶液所特有的缓冲平台，pH直接达到酸碱的极限点。
0.2mol/L磷酸缓冲溶/0.1mol/L磷酸缓冲溶液绘制曲线如下图，可见不同浓度的同一缓冲系统缓冲曲线中，缓冲平台出现伸缩变化，标志着缓冲容量的强弱变化。原设计的0.25ml HCl/NaOH检测点的确是出现在缓冲曲线的缓冲平台，但很明显，只是一个检测点，同学们只能知道缓冲溶液有保持溶液PH相对稳定的特点，但对缓冲容量等概念没有直观感受。

 

实验讨论：
新的实验设计让学生形象地认识缓冲曲线，同时加强了对缓冲容量的再认识。这里讨论对广义和狭义缓冲容量的两种理解：
广义的缓冲容量适合缓冲溶液对PH值变化要求不严格的情况，pH值主要由缓冲体系中弱酸pKa和其浓度所控制。缓冲容量在缓冲曲线中表现为：以pKa为中心的两侧等距离广义的缓冲容量适合缓冲溶液对PH值变化要求不严格的情况，pH值主要由缓冲体系中弱酸pKa和其浓度所控制。缓冲容量在缓冲曲线中表现为：以pKa为中心的两侧等距离拐点间范围。广义的缓冲容量在同一缓冲曲线中，可以通过pH起始点上调接近右拐点/下调接近左拐点的方法增加抗酸/碱作用得到调节。与pKa拐点区域中心比较，接近左/右拐点调节法可以在相同缓冲曲线中使缓冲容量增加一倍。
狭义的缓冲容量适合缓冲溶液对pH值变化要求比较严格的情况，pH值主要由缓冲体系中弱酸pKa和其浓度及其共轭酸/碱比所控制。缓冲容量在缓冲曲线中表现为：要求以所设定的pH为中心，两侧等距离可变pH值的体积范围必须位于缓冲平台、最好接近中心的范围。狭义的缓冲容量主要通过改变缓冲溶液的浓度得到调节。
通常是根据实验应用的要求，来配制不同体积、浓度的pH缓冲溶液。当缓冲体积一定时，浓度太低起不到缓冲溶液的作用；浓度太高又浪费资源，有时产生高渗。缓冲容量一个非常重要的理论概念，也是一个非常重要的实践指标。在实际应用过程中，一般是根据pH值的明确要求，首先确定缓冲容量大小，在缓冲体积一定时根据缓冲溶液pH值可变范围的要求来确定缓冲溶液的浓度。
缓冲溶液的性质实验是基础化学中的经典实验。改进的实验在没有增加实验药品的情况下，达到了更有说服力、各有教学意义的效果。同时本实验通过分组方法获得超常规数据，增强了同学之间的协作训练。
 

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