緩沖溶液教學(xué)方法探討

齊鳳元 馬勇

(渤海大學(xué)生物與食品科學(xué)學(xué)院 遼寧錦州121000)

緩沖溶液教學(xué)方法探討

齊鳳元 馬勇

(渤海大學(xué)生物與食品科學(xué)學(xué)院 遼寧錦州121000)

根據(jù)食品專業(yè)學(xué)生特點，結(jié)合飲食與人體內(nèi)的酸堿平衡關(guān)系講解緩沖溶液的緩沖作用。

緩沖溶液是指能抵抗少量的酸、堿或稀釋而保持本身pH基本不變的溶液。緩沖溶液之所以在后繼課程的學(xué)習(xí)以及以后的實際工作中都有重要應(yīng)用，主要是因為緩沖溶液的緩沖作用。本文根據(jù)食品專業(yè)學(xué)生的特點，結(jié)合飲食與人體內(nèi)的酸堿平衡關(guān)系講解緩沖溶液的緩沖作用。

1 緩沖溶液的緩沖作用范圍

按照酸堿的質(zhì)子理論，緩沖溶液中存在的質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡為:

如果忽略水的離解［1］，緩沖溶液pH的計算公式為:

其中弱酸為抗堿成分，共軛堿為抗酸成分。緩沖溶液具有緩沖作用就是因為同時具有抗酸成分和抗堿成分，這兩種成分又稱為緩沖對，并且二者是共軛酸堿對，能滿足上述的質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡。因此，緩沖溶液可以抵抗少量的酸、堿或稀釋而保持溶液的pH基本不變。緩沖溶液的緩沖作用能力強弱與抗酸成分及抗堿成分的濃度有關(guān)，二者濃度愈大緩沖能力愈強。對同一緩沖體系，緩沖能力的強弱與緩沖對濃度的比值有關(guān)，緩沖對的濃度比值愈接近1，緩沖能力就愈強。當(dāng)緩沖對濃度比值大于10:1或小于1:10時，緩沖溶液基本沒有緩沖作用，此時溶液的pH=p Kθa± 1。pH=p Kθa±1就是緩沖溶液發(fā)生緩沖作用的有效區(qū)間，稱為緩沖溶液的緩沖作用范圍。

2 結(jié)合人體內(nèi)的酸堿平衡講解緩沖作用

無論在科研還是在實際生產(chǎn)中，緩沖溶液都有廣泛的應(yīng)用，主要為以下兩方面:一是控制溶液的酸度，二是用酸度計測定溶液的pH時，必須用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校準(zhǔn)。根據(jù)食品專業(yè)特點，結(jié)合飲食與人體內(nèi)的酸堿平衡關(guān)系講解緩沖溶液的作用，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。

2.1 酸堿平衡與人體健康的關(guān)系

人體內(nèi)的環(huán)境需要相對穩(wěn)定的酸堿平衡。體內(nèi)物質(zhì)的代謝反應(yīng)是受各種酶控制的，而每種酶只有在一定pH范圍的體液中才具有活性，因此各種體液必須恒定在一定的pH范圍內(nèi)，機體內(nèi)的各種代謝反應(yīng)才能正常進行［2］。如人體血液的pH在7.35～7.45之間，超過這一范圍，機體的許多功能將發(fā)生異常變化，從而引起各種疾病，因此飲食應(yīng)酸堿搭配。

通常說的酸性食物并不是指具有酸味的食物，而是指含氯、硫、磷等酸性元素的總量較高或含有不能完全氧化的有機酸，經(jīng)人體消化吸收后，在體內(nèi)形成酸性物質(zhì)，如魚、肉、蛋、糧食等;而堿性食物是指含有較多鉀、鈉、鈣、鎂等金屬元素的食物，經(jīng)人體消化吸收后，在體內(nèi)形成堿性物質(zhì)，如水果、蔬菜、茶葉、海藻類等［3］。由于生活水平的提高，人們通過飲食攝入的酸性食物較多，這樣不僅容易使血液偏酸性，而且會增加體內(nèi)堿性元素的消耗，如引起鈣消耗過多，造成缺鈣等。因此在飲食中要注意酸堿平衡。我們在教學(xué)中要求啟發(fā)學(xué)生思考這樣的問題:我們每天的飲食并沒有嚴(yán)格遵守酸堿搭配的原則，為什么沒有引起血液pH發(fā)生明顯變化?這就引出了血液中存在著緩沖物質(zhì)，由于緩沖物質(zhì)的作用，使血液的pH維持在正常的范圍內(nèi)，進而聯(lián)系食品專業(yè)的實際情況及飲食與健康的關(guān)系來講解緩沖作用。

2.2 緩沖溶液在調(diào)節(jié)人體酸堿平衡中的作用

人體的血液之所以能恒定在一定的pH范圍內(nèi)，就是因為血液中有各種緩沖物質(zhì)起緩沖作用，以及肺、腎的調(diào)節(jié)作用。人血液中的緩沖物質(zhì)主要有 H2CO3－HCO3－、H2PO4－－HPO、 HnP－Hn－1P－(HnP代表蛋白質(zhì))等，其中最重要的是H2CO3－HCO緩沖體系，H2CO3以溶解狀態(tài)的CO2形式存在，起抗堿作用;HCO是血漿中含量最多的抗酸成分，在一定程度上可代表血漿對體內(nèi)產(chǎn)生的非揮發(fā)性酸的緩沖能力，稱為堿儲。在溫度37℃時，離子強度為0.16的血漿的pH計算公式為:

正常人血漿中HCO3－和CO2的濃度分別為0.024mol·L－1和0.0012mol·L－1，代入上式得血漿pH的正常值為7.40。正常血漿中H2CO3－HCO3－緩沖體系的緩沖比為20:1，已超出體外緩沖溶液有效緩沖比的范圍。但是體內(nèi)的碳酸緩沖體系在起緩沖作用時，所引起抗酸成分(HCO3－)或抗堿成分(CO2)增多或減少的部分，可通過肺、腎的生理功能得到及時調(diào)節(jié)，而使20:1的緩沖比基本維持恒定。因此，血漿中碳酸緩沖體系總能保持相當(dāng)強的緩沖能力，特別是抗酸能力。

血漿碳酸緩沖體系的緩沖作用與肺、腎的調(diào)節(jié)作用之間的關(guān)系可表示為:

當(dāng)體內(nèi)代謝產(chǎn)生的酸性物質(zhì)進入血漿時，上式平衡向左移動，引起H2CO3量增多和HCO量減少，而增多的H2CO3通過肺加快呼吸速率以CO2的形式呼出;HCO減少的部分則由腎保留對HCO的排泄而得到補償，從而使血液中［HCO］和［CO2］的比值基本不變;當(dāng)體內(nèi)堿性物質(zhì)進入血液時，上式平衡向右移動，引起H2CO3量的減少和HCO量的增多，這種情況下，H2CO3減少的部分，由肺控制對CO2的呼出量來補償，而HCO增多的部分則由腎加速對HCO的排泄來調(diào)節(jié)，從而使二者的比值恢復(fù)到20:1的水平，血漿pH恢復(fù)到正常水平?？傊?，由于血液中多種緩沖對的緩沖作用和肺、腎的調(diào)節(jié)作用，正常人血液的pH才能維持在7.35～7.45的狹小范圍內(nèi)［2］。

因為生活水平的提高，在人們的飲食中魚、肉、蛋等酸性食物攝入較多，如果長期過多食用酸性食物，會使大量的酸性物質(zhì)進入血液，超出血液中緩沖物質(zhì)的緩沖作用以及肺和腎的調(diào)節(jié)作用限度，使血液酸性化而形成酸性體質(zhì)。從分子生物學(xué)水平來考察，酸性體質(zhì)易使基因表達遭到破壞，胰島素原不能正常合成或在合成之后在激活過程中遇到障礙。

講了這些原理以后，學(xué)生不但對緩沖溶液的緩沖作用有了深刻的理解和掌握，同時也認(rèn)識到了飲食與健康的關(guān)系，使得一些有偏食習(xí)慣的學(xué)生改變了飲食結(jié)構(gòu)，并提高了對食品專業(yè)的興趣，從而由被動接受知識變成主動學(xué)習(xí)，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

［1］ 天津大學(xué)無機化學(xué)教研室.面向21世紀(jì)課程教材無機化學(xué).第3版.北京:高等教育出版社，2002

［2］ 楊秀岑.基礎(chǔ)化學(xué).第4版.北京:人民衛(wèi)生出版社，1998

［3］ 楊昌舉.食品營養(yǎng)與消費.北京:新時代出版社，1995