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

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 。

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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！

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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~~

有空可以參考

Henderson-Hasselbalch equation


及
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


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

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


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

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


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

kite481318 說：

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，

按一下展開……

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

kite481318 說：

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？？？

按一下展開……

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

kite481318 說：

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？？？

按一下展開……

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

kite481318 說：

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

按一下展開……

我的滴定曲線發現，不同的KH的確能緩和pH的變化

kite481318 說：

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??

按一下展開……

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~~~

kite481318 說：

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

按一下展開……

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

kite481318 說：

==========================================================
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??

按一下展開……

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！！　　

kite481318 說：

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！！　　

按一下展開……

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

其實我分析很爛，當年open book還被死當~~
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

jellyray 說：

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

按一下展開……

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

不好意思！各位大哥討論的問題離我太遠！
有看没有懂？

最近爬文'有看到一段話！不知與你們討論的有沒關！
希望有幫助

第408樓
http://www.ph84.idv.tw/vbb/showthread.php?t=68207&highlight=ruder&page=34

s2s2 說：

不好意思！各位大哥討論的問題離我太遠！
有看没有懂？

按一下展開……

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



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



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

圖一：滴定曲線

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~~

bbbabab 說：

圖一：滴定曲線

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~~

按一下展開……

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