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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。

CH3COOH CH3COO H+
始め c c’
平衡時 c – x c’ + x x

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。

NH3 NH4+ OH
始め c c’
平衡時 c – x c’ + x x

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。

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