緩衝液と緩衝作用

緩衝液とは

少量の酸や塩基を加えた時に、その影響を緩和し、pHが一定に保たれるような働きを持つ水溶液を緩衝液と呼ぶ。また、緩衝液が持つそのような働きを緩衝作用と呼ぶ。

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緩衝液の例

一般的に、弱酸とその塩の水溶液、弱塩基とその塩の水溶液は緩衝液として働く。具体例と共に見てみよう。

酢酸と酢酸ナトリウムの混合溶液

酢酸と酢酸ナトリウムの水溶液にはCH₃COOH（酢酸由来）と、CH₃COO^–（酢酸ナトリウム由来）が多量に含まれている。

酸を加えると、次の反応が起こり、H⁺が増加しない。この反応は酢酸は弱酸であるため、H⁺を加えることによって、平衡のバランスが右へと移行することによって起こる。

CH₃COO^– + H⁺ → CH₃COOH

また、塩基を加えると次の反応が起こり、OH^–が増加しない。この反応は単純に中和反応である。

CH₃COOH + OH- → CH₃COO^– + H₂O

高濃度の強酸・強塩基は、酸や塩基を加えてもあまりpHは変化しないが、緩衝液とは言わない。これらの水溶液は水で十分に希釈すれば、pHは低下するのである。しかし、pH = 4.7の酢酸ー酢酸ナトリウムの緩衝溶液は、［CH₃COOH］/［CH₃COO^–］の比が変わらないため、10倍に希釈してもpHはほとんど変化しない。

緩衝液の[H+]の求め方

c[mol/L]の弱酸と、c'[mol/L]の塩を含む緩衝液について、CH₃COOHとCH₃COONaを例に考えてみよう。これらの混合水溶液には電離平衡として次の式が成り立っている。

CH₃COOH ⇔ CH₃COO^– + H⁺

一般的に、水溶液中にいかなる分子が混在していても、弱酸とそのイオンが少しでも共存していれば、電離平衡が存在している。

始めのCH₃COOHの濃度をc、CH₃COO^–の濃度をc’とすると、平衡時の濃度は次のようになる。

弱酸の電離平衡は次の式で求めるられる。

よって、H⁺の濃度は次のようになる。なお、この時、xはc、c’と比べて非常に小さな値のため、c – x = c、c’ + x = c’とみなす。

Ka = c / c’ [H+]なので、式を変形すると次のようになる。

つまり、［H⁺］= Ka×(弱酸の濃度 / 塩の濃度） である。

緩衝液の[OH-]の求め方

続いてNH₃とNH₄Clの混合水溶液の緩衝液の[OH^–]を求めてみよう。

始めのNH₃の濃度をc、NH₄⁺の濃度をc’とすると、平衡時の濃度は次のようになる。

弱酸の時と同様に、弱塩基の平衡定数を求めると次のようになる。なお、この時、xはc、c’と比べて非常に小さな値のため、c – x = c、c’ + x = c’とみなす。

よって、OH^–の濃度は次のようになる。

つまり、［OH^–］= Kb×(弱塩基の濃度 / 塩の濃度） である。