究竟是什麼原因讓KH值可以緩衝PH的振蕩?? 求小益大講解一下

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kite481318

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最初對KH/PH的理解:
CO2在水中會形成三種形式分別為
H2CO3,HCO3-,CO3--
H2CO3 在水中會解離成 2H+ + CO3-- 所以是酸的
CO2溶解在水中會與水達到反應平衡,也就是如果空氣中的CO2含量不變
水中這三種形式的CO2總量就會不變
當缸中KH比較低時,代表H2CO3含量多,白天缸中生物對CO2需求旺盛時H2CO3的含量快速減少
這便造成PH大幅提昇,夜間恢復平衡後H2CO3也回到原來的含量,PH值便回到原點
相反的當KH比較高時,H2CO3的含量少,HCO3-,CO3--的含量多
因此會因為H2CO3的日夜間含量變化的影響就少很多
當然KH(HCO3-,CO3-- )本身也會被生物利用而減少,不過變化的幅度沒有H2CO3(游離碳酸)來的大 。

==============================================================

最近看了一篇CMF的文章討論:之前一直非常质疑所谓KH高了,PH的变化范围就会小,我的初高中所学的化学知识让我无法理解那个事情。所以买了PH长期监测表,事实证明,无论是我未调高KH之前的4.5,还是现在的9-10,PH的变化一律都是上下0.25,没有任何区别!(我在论坛内发起提问,有做过PH长期监测的朋友报出的数据也是一样,没有任何区别!)不要质疑我校准和清洗PH探头可能的疏忽,看我做事情的态度就不可能丢着那种疏忽来报结论,对不对。水体内H+和OH-离子的平衡不想去说了,不要拿着HCO3-的电离平衡和水解平衡来说事了,请用实验证明一下HCO3-如何稳定了海水的PH!不要再人云亦云了!!!我还说水里多点石头(也就是碳酸钙)能稳定PH呢,而且也有完备的化学式可以写出来,有什么用呢???

请再看一次各种圣经中经常被人引用的“kH硬度是碳酸氢根(HCO3-)浓度的度标,因为碳酸氢根是水质中最主要的缓冲物质,它可以中和水质中任何增加或减少的游离CO2,以及亦能抑制氢离子的波动,以维持恒定的pH值,因此kH的控制被视为水质管理不可缺的手续。”——错漏百出!!!!Hco3-能中和CO2???这化学怎么学的???懂酸碱反应吗????hco3如何“中和”CO2??
实际上,co2水合:co2+h2o=H2co3(碳酸),h2co3电离:h2co3=hco3- + H+,不添加的情况下,净水中的hco3-就是碳酸电离来的!碳酸饮料里面就含有大量的hco3-,那么碳酸饮料PH很稳定水质很好了罗??我们向水里倒入碳酸饮料或者吹入大量二氧化碳,PH会更稳定水质会更好罗???

我来推测第一个说出以上那句话,然后被所有人广泛引用,大概是什么可能吧!那个人片面地学习了人体血液的PH缓冲系统,但是却只看见了Hco3-,而没看见h+,请看下面这段话,看看我猜的对不对!那哥们一定是把水体想象成了人体血液PH保持的原理,却忽略了他没有添加的H+所起的作用!

============================================================

我與魚友的討論:
魚友的主張是否定KH提升能緩衝PH值的

只有酸性環境下才能的反應 是無法在堿性的魚缸里面反應的
co2的反應只有在酸性條件下反應 hco3-并不能在魚缸里反應

我認為:H2CO3 在水中会解离成 2H+ + CO3-- 所以是酸的 會影響PH值
我又反問他那:H2CO3 無法在海水離解嗎??

不是無法解離是趨勢
這是一個可逆反應
在不同的酸堿度中 有不同的趨勢
在堿性環境中 更趨向與H2co3
酸性環境才趨向于H+
環境工程的 在污水處理中 穩定PH的辦法里 確實沒有用碳酸離子的
==========================================================
後來我又請教他那氫氧根離子(OH)-,
他認為羥是和氫離子按比例出現的
一般計算中不涉及它

突然間以前的概念似乎有了完全不同爭議出來,
究竟KH提升在海水裡是如何緩衝PH的振蕩??
還是真的完全不相關 這些化學反應在只在酸性下成立??
 
本來我想用理論計算算給你看

無奈書本離我太久了,我不認識他,他也不認識我~~:em06::em06:

有空可以參考

Henderson-Hasselbalch equation
PH84_F_13_131024133406.JPG



Analytical Chemistry,11G,Titration Curves for Polyfuncitonal Bases
 
在講海水的KH緩衝溶液之前
先談一下定義,什麼是緩衝溶液

是指由「弱酸及其共軛鹼」或「弱鹼及其共軛酸」所組成的緩衝對配製的,能夠在加入一定量其他物質時減緩pH改變的溶液

以下為醋酸鈉所構成的緩衝溶液
PH84_F_13_131024133753.JPG


可以看到,醋酸鈉的緩衝溶液,並不不能包含每一個pH的點
上圖最佳的buffer值約pH=4.75

再由
Henderson-Hasselbalch equation
PH84_F_13_131024133406.JPG

當[A-] = [HA]時,有最佳的緩衝效果
也就是pH=4.75時


回頭在談一下海水的KH
海水的KH有96.5%由HCO3-及CO3(2-)所組成,其中HCO3-又絕大多數的比例
另外由B(OH)4-,Si(OH)3O-,HPO4(2-),OH-等組成
因此少部分其他分子的影響可以忽略
會以HCO3-為主要探討

以下為Na2CO3的滴定曲線
PH84_F_13_131024134756.JPG


最佳的緩衝的pH值應該落在曲線平滑處,[A-] = [HA]時,約pH=6.2
而海水的pH值約8.2,剛好落在滴定終點上

應此你要問我海水中的KH是否為緩衝溶液
我認為,海水的KH的確是緩衝溶液
但不是一個好的緩衝溶液
原因有二

1. 海水的pH直剛好落在滴定終點附近,因此緩衝能力不佳
若是落在[A-] = [HA]時,緩衝能力會更好

2. 海水中的KH值事實上當緩衝溶液濃度還不夠高
通常在實驗室配buffer,濃度約0.05~0.1M
而海水中的KH,約8.4dkH = 0.003M
大約差了三十幾倍,因此緩衝能力會比較弱
 
最後編輯:
另一個問題
KH=7.2時,跟KH=3.7時,緩衝效果有沒有差

因此我做了一個小實驗
A:比重1.025,KH=7.2
B:比重1.027,KH=3.7

以稀的HCl進行滴定,並繪製滴定曲線
PH84_F_13_131024140032.JPG


由上圖可以看出,當KH差約兩倍時
對於HCl的緩衝能力也差約兩倍
 
最近看了一篇CMF的文章討論:之前一直非常质疑所谓KH高了,PH的变化范围就会小,我的初高中所学的化学知识让我无法理解那个事情。所以买了PH长期监测表,事实证明,无论是我未调高KH之前的4.5,还是现在的9-10,PH的变化一律都是上下0.25,没有任何区别!(我在论坛内发起提问,有做过PH长期监测的朋友报出的数据也是一样,没有任何区别!)不要质疑我校准和清洗PH探头可能的疏忽,看我做事情的态度就不可能丢着那种疏忽来报结论,


因為海水的pH值,剛好落在滴定終點附近,因此pH值漂移會比較大
比較不好判斷
若是繪製滴定曲線,則可看出

对不对。水体内H+和OH-离子的平衡不想去说了,不要拿着HCO3-的电离平衡和水解平衡来说事了,请用实验证明一下HCO3-如何稳定了海水的PH!不要再人云亦云了!!!我还说水里多点石头(也就是碳酸钙)能稳定PH呢,而且也有完备的化学式可以写出来,有什么用呢???

可以參考一下
Henderson-Hasselbalch equation
及Analytical Chemistry,11G,Titration Curves for Polyfuncitonal Bases

请再看一次各种圣经中经常被人引用的“kH硬度是碳酸氢根(HCO3-)浓度的度标,因为碳酸氢根是水质中最主要的缓冲物质,它可以中和水质中任何增加或减少的游离CO2,以及亦能抑制氢离子的波动,以维持恒定的pH值,因此kH的控制被视为水质管理不可缺的手续。”——错漏百出!!!!Hco3-能中和CO2???这化学怎么学的???懂酸碱反应吗????hco3如何“中和”CO2??
实际上,co2水合:co2+h2o=H2co3(碳酸),h2co3电离:h2co3=hco3- + H+,不添加的情况下,净水中的hco3-就是碳酸电离来的!碳酸饮料里面就含有大量的hco3-,那么碳酸饮料PH很稳定水质很好了罗??我们向水里倒入碳酸饮料或者吹入大量二氧化碳,PH会更稳定水质会更好罗???

HCO3-不能中和碳酸
但可以抑制碳酸的解離
H2CO3 <-----> H+ + HCO3-

如果是強酸的話,就沒有所謂的平衡式
但H2CO3是弱酸,Ka1=4.3 x 10^(-7)

因此當KH存在時,[HCO3-] = 3 meq
由勒夏特列原理
可以抑制H2CO3的解離
進而穩定pH

如你參考一下Na2CO3的滴定曲線
你會發現二氧化碳有機會變成好的buffer
只要把pH調整至,[A-] = [HA]時


我来推测第一个说出以上那句话,然后被所有人广泛引用,大概是什么可能吧!那个人片面地学习了人体血液的PH缓冲系统,但是却只看见了Hco3-,而没看见h+,请看下面这段话,看看我猜的对不对!那哥们一定是把水体想象成了人体血液PH保持的原理,却忽略了他没有添加的H+所起的作用!

============================================================

我與魚友的討論:
魚友的主張是否定KH提升能緩衝PH值的

只有酸性環境下才能的反應 是無法在堿性的魚缸里面反應的
co2的反應只有在酸性條件下反應 hco3-并不能在魚缸里反應

我的滴定曲線發現,不同的KH的確能緩和pH的變化

我認為:H2CO3 在水中会解离成 2H+ + CO3-- 所以是酸的 會影響PH值
我又反問他那:H2CO3 無法在海水離解嗎??

你的意思是想算不同比例的[H2CO3]、[HCO3-]、[CO3-2]時
其pH值嗎

Analytical Chemistry,11G,Titration Curves for Polyfuncitonal Bases
上面這本書有教你怎麼算
但我看不懂~~~:em06::em06:


不是無法解離是趨勢
這是一個可逆反應
在不同的酸堿度中 有不同的趨勢
在堿性環境中 更趨向與H2co3
酸性環境才趨向于H+
環境工程的 在污水處理中 穩定PH的辦法里 確實沒有用碳酸離子的

碳酸氫鈉的確可以當buffer,但他不是一個好的buffer
因為會產生CO2,比較難精準控制pH值
所以一般比較常用KH2PO4,potassium hydrogen phthalate、檸檬酸等


==========================================================
後來我又請教他那氫氧根離子(OH)-,
他認為羥是和氫離子按比例出現的
一般計算中不涉及它

突然間以前的概念似乎有了完全不同爭議出來,
究竟KH提升在海水裡是如何緩衝PH的振蕩??
還是真的完全不相關 這些化學反應在只在酸性下成立??

打了拉哩拉渣一堆
不知道你看得懂嗎~~~
 
HCO3-不能中和碳酸
但可以抑制碳酸的解離
H2CO3 <-----> H+ + HCO3-

如果是強酸的話,就沒有所謂的平衡式
但H2CO3是弱酸,Ka1=4.3 x 10^(-7)

因此當KH存在時,[HCO3-] = 3 meq
由勒夏特列原理
可以抑制H2CO3的解離
進而穩定pH

如你參考一下Na2CO3的滴定曲線
你會發現二氧化碳有機會變成好的buffer
只要把pH調整至,[A-] = [HA]時
------------------------------------------------------------------------------------
以上這一段跟大大你做的滴定曲線,
我想我對KH/PH又有了進一步的認識。
其它的慢慢去理解,能懂多少是多少了。

              謝謝小益大!!  
 
HCO3-不能中和碳酸
但可以抑制碳酸的解離
H2CO3 <-----> H+ + HCO3-

如果是強酸的話,就沒有所謂的平衡式
但H2CO3是弱酸,Ka1=4.3 x 10^(-7)

因此當KH存在時,[HCO3-] = 3 meq
由勒夏特列原理
可以抑制H2CO3的解離
進而穩定pH

如你參考一下Na2CO3的滴定曲線
你會發現二氧化碳有機會變成好的buffer
只要把pH調整至,[A-] = [HA]時
------------------------------------------------------------------------------------
以上這一段跟大大你做的滴定曲線,
我想我對KH/PH又有了進一步的認識。
其它的慢慢去理解,能懂多少是多少了。

              謝謝小益大!!  
抑制解離的部分在分析上叫同"離子效應"
其原理便是勒沙特列原理

剛剛查了一下na2co3的PKa=10.4
若要將二氧化碳調成Buffer solution [A-] = [HA]時 pH=PKa=10.4
這樣魚類跟珊瑚無法存活

我想小益大的重點在於海水PH=8.2附近
在這環境下軟體及生物適合生存
但也因為PH=8.2剛好在當量點附近
使得KH無法形成好的BUFFER
當加入強酸強鹼其緩衝能力有限

謝謝小益大解釋如此詳細
寫感謝樓主發此篇討論:em01::em01::em01:
 
其實我分析很爛,當年open book還被死當~~:em16::em16:
我一直不願意面對,pH與KH的關係式
沒想到還是被你點名了

據我所知,站上有魚友有這方面的專長
有說錯的地方,麻煩鞭小力一點

抑制解離的部分在分析上叫同"離子效應"
其原理便是勒沙特列原理

我剛還在想,要怎麼解釋標題

究竟是什麼原因讓KH值可以緩衝PH的振蕩?? 求小益大講解一下

你有句話用得很好

H2CO3 <-----> H+ + HCO3-

因為同離子效應
所以不管加入H+,OH-,H2CO3
都能使反應朝向另外一邊
進而穩定pH值
 
最後編輯:
不好意思!各位大哥討論的問題離我太遠!
有看没有懂?:em01:

討論原因,可能會複雜一點

直接講結果,就會比較簡單了

由Henderson-Hasselbalch equation
PH84_F_13_131024133406.JPG



pKa表示解離常數,是定值
因此,pH值與[A-]跟[HA]的比例有關

所以
pH值表示:[H2CO3],[HCO3-],[CO3-2]之間的比例
KH值表示:[HCO3-]+2[CO3-2]的總和,注意這裡沒有H2CO3,且CO3-2要乘二

PH84_F_13_131025084207.JPG


以下比例採好解釋的方式,並非正確比例

假設
pH=7.8,[H2CO3]:[HCO3-]=2:8,那麼KH=8,H2CO3無貢獻度
pH=7.8,[H2CO3]:[HCO3-]=1:4,那麼KH=4,H2CO3無貢獻度

假設
pH=8.6,[HCO3-]:[CO3-2]=8:2,那麼KH=12,CO3-2要乘二
pH=8.6,[HCO3-]:[CO3-2]=4:1,那麼KH=6,CO3-2要乘二

所以這也是為什麼,有些人的缸子KH不同,pH也不會差很多的原因
因為pH是看比例,而KH是算總和


以上是看缸子平衡後,各濃度的比值
如果在平衡後,加入[H+],會有什麼影響

[H2CO3] <-----> [H+] + [HCO3-]
1 14

加入[H+]為1時

[H2CO3] <-----> [H+] + [HCO3-]
1 1+1 4

由勒夏特列原理
反應會向左邊移動
假設右邊各減0.42,左邊加0.42

[H2CO3] <-----> [H+] + [HCO3-]
1.42 2-0.42 4-0.42

因此,原本氫離子由1增加至2
卻只由1增加至1.58,這就是buffer的作用


[H2CO3] <-----> [H+] + [HCO3-]
2 2 8

而當KH增加時,[HCO3-]由4增加至8
能抵銷的[H+]的能力也會跟著增加




 
最後編輯:
PH84_F_13_131024134756.JPG

圖一:滴定曲線
PH84_F_13_131025084207.JPG

圖二:無機碳比例



同時對照這兩張圖,可以看出一些好玩得現象

圖二,pH=8.3時,幾乎以[HCO3-]存在,也就是圖一的滴定終點
圖二,約pH=6.3時,[H2CO3]=[HCO3-]時,也就是圖一第一個最佳buffer值,pH = pKa1
圖二,約pH=10.3時,[HCO3-]=[CO3-2]時,也就是圖一第二個最佳buffer值,pH = pKa2


KH值表示:[HCO3-]+2[CO3-2]的總和,且CO3-2要乘二
有些人會問
那為什麼要加小蘇打,因為小蘇打的係數只乘一
碳酸鈉的係數乘二,感覺比較划算

看一下圖二,加小蘇打,最多讓pH值趨近於8.3
而加碳酸鈉,會讓[HCO3-]與[CO3-2]之間的比例改變,有機會讓pH超越8.3

而加氫氧化鈣
OH-,會讓H2CO3 or HCO3-轉變為CO3-2
因此也有機會讓pH值超過8.3

OH- + HCO3- --> H2O + CO3-2

不過不論加的是碳酸鈉或氫氧化鈣
由於空氣中有源源不絕的CO2
因此時間久了,雖然不會降KH
但也會讓pH值降到低於8.3,不過也因此造成pH值的震盪了

H2CO3 + CO3-2 --> 2 HCO3-


不知道有沒有人看得懂,有看懂得請喊一聲又~~:em04::em04:
 
PH84_F_13_131024134756.JPG

圖一:滴定曲線
PH84_F_13_131025084207.JPG

圖二:無機碳比例



同時對照這兩張圖,可以看出一些好玩得現象

圖二,pH=8.3時,幾乎以[HCO3-]存在,也就是圖一的滴定終點
圖二,約pH=6.3時,[H2CO3]=[HCO3-]時,也就是圖一第一個最佳buffer值,pH = pKa1
圖二,約pH=10.3時,[HCO3-]=[CO3-2]時,也就是圖一第二個最佳buffer值,pH = pKa2


KH值表示:[HCO3-]+2[CO3-2]的總和,且CO3-2要乘二
有些人會問
那為什麼要加小蘇打,因為小蘇打的係數只乘一
碳酸鈉的係數乘二,感覺比較划算

看一下圖二,加小蘇打,最多讓pH值趨近於8.3
而加碳酸鈉,會讓[HCO3-]與[CO3-2]之間的比例改變,有機會讓pH超越8.3

而加氫氧化鈣
OH-,會讓H2CO3 or HCO3-轉變為CO3-2
因此也有機會讓pH值超過8.3

OH- + HCO3- --> H2O + CO3-2

不過不論加的是碳酸鈉或氫氧化鈣
由於空氣中有源源不絕的CO2
因此時間久了,雖然不會降KH
但也會讓pH值降到低於8.3,不過也因此造成pH值的震盪了

H2CO3 + CO3-2 --> 2 HCO3-


不知道有沒有人看得懂,有看懂得請喊一聲又~~:em04::em04:

PH84_F_13_131027124725.JPG


小益大有打錯字 應該是滴定"中"點

緩衝的意義就是 "pH變化很小"

所以對照圖一 對照Y軸pH pH變化很小的地方

就是 10.X 6.Y的地方

也就是"最佳緩衝值 "

也就是 [H2CO3]=[HCO3-], [HCO3-]=[CO3-2]

pH8.3剛好是[HCO3-]最大值, 以圖來解釋 就是pH緩衝最差的地方

加一點點酸 就跑到pH很低

加一點點鹼 就跑到pH很高

以緩衝的觀點來看 pH8.3反而是很難維持的值



圖二尾滴定末端 感覺很奇怪 應該是直直掉落才是:em14:
 
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