缓冲液配制计算器(Henderson-Hasselbalch)
缓冲液的 pH 由共轭酸碱对的比例决定,不是由总浓度决定:
pH = pKa + log₁₀( [A⁻] / [HA] )
反过来,已知目标 pH 就能求比例:[A⁻]/[HA] = 10^(pH − pKa)。
再配合总浓度和体积,就能算出两种组分各需要多少摩尔、多少克。
选缓冲对的原则:目标 pH 应落在 pKa ± 1 以内。 超出这个范围,缓冲能力急剧下降—— 在 pH = pKa 时缓冲容量最大,偏离 1 个单位时比例已经是 10:1,再偏就基本没有缓冲作用了。
几个必须注意的地方:
- pKa 随温度变化。 Tris 尤其明显,约 −0.028 pH/°C:4 °C 配好的 Tris 缓冲液, 升到 37 °C 时 pH 会掉约 0.9。要在使用温度下校准。
- 离子强度会影响实际 pKa,高浓度时计算值与实测值会有偏差,配完必须用 pH 计核对。
- 本工具按理想情况算,给的是起点,不是终点。
一个算例
配 1 L 0.1 mol/L 磷酸缓冲液,目标 pH 7.4(pKa₂ = 7.21):
[A⁻]/[HA] = 10^(7.4 − 7.21) = 1.549
碱式占比 = 1.549 / (1 + 1.549) = 60.77%
Na₂HPO₄ 0.1 × 0.6077 = 0.0608 mol
NaH₂PO₄ 0.1 × 0.3923 = 0.0392 mol
温度:Tris 和磷酸盐差十倍
pKa 随温度变化,而不同缓冲对的敏感程度差别极大。
| 缓冲对 | 25 °C 的 pKa | dpKa/dT |
|---|---|---|
| Tris | 8.06 | −0.028 / °C |
| 磷酸盐(pKa₂) | 7.21 | −0.0028 / °C |
差了整整一个数量级。后果很具体:在 25 °C 调到 pH 8.0 的 Tris 缓冲液, 放到 4 °C 冷室里实际约为 pH 8.6——偏了 0.6 个单位。 同样的降温,磷酸缓冲液只偏 0.06,可以忽略。
所以做低温实验(层析、冷室孵育)用 Tris 时,必须在使用温度下调 pH, 而不是在室温调好再拿去用。这是低温实验里最常见的隐性误差来源之一。
缓冲容量在哪里最大
在 pH = pKa 时最大,此时酸碱各占一半。偏离 1 个单位时比例已是 10:1, 缓冲能力大幅下降;偏离 2 个单位基本没有缓冲作用。 这就是「目标 pH 应落在 pKa ± 1 以内」这条经验规则的来源, 它不是约定俗成,是从上面的公式直接推出来的。
常见问题
目标 pH 离 pKa 多远还能用?
±1 以内。再远比例超过 10:1,缓冲容量已经很小,应该换一个 pKa 更接近的缓冲对。
为什么按计算配出来 pH 不对?
常见原因是温度不同(Tris 尤其敏感)和离子强度影响。计算值是起点,必须用 pH 计校准。
为什么调好 pH 后稀释,pH 会变?
Henderson-Hasselbalch 用的是浓度比,理想情况下稀释不改变比值、也就不改变 pH。但实际会变,原因是离子强度改变了活度系数,而 pH 计测的是活度不是浓度。稀释十倍通常带来 0.1 个单位以内的漂移。规范做法是按终浓度配好再测 pH。
用酸碱滴定调 pH 和按公式配,哪个对?
两者不冲突:按公式配得到接近目标的起点,再用 pH 计微调。只按公式不测,会因为试剂纯度、结晶水、离子强度而有偏差;只滴定不算,则可能用了远超需要的酸碱量,改变了总离子强度。