【化学】緩衝溶液とは？その仕組みとpHの求め方

緩衝溶液とは？

弱酸とその塩、または弱塩基とその塩の水溶液には、酸や塩基が多少加えられてもpHがほぼ一定を保働きがあります。これを緩衝作用と呼び、そのような溶液を緩衝溶液と呼びます。

緩衝液である酢酸と酢酸ナトリウムの作用について見てみましょう。溶液中では次のような電離が起こっています。

①CH₃COOH ⇔ CH₃COO^– + H⁺

②CH₃COONa → CH₃COO^– + Na⁺

②はほぼ完全に電離しているため、CH3COO-の濃度が上昇します。すると、①の式では平衡は左に偏った状態になります。つまり、CH3COOHの電離はかなり抑制されています。

酸を加えると、溶液中のCH₃COO^–と反応してCH₃COOHに変化します。そのため、［H⁺］はそれほど増加しません。

CH₃COO^– + H⁺⇔ CH₃COOH

塩基を加えると、溶液中のH⁺と中和します。その結果、H^＋が減少します。しかし、下の平衡が右に偏り、H⁺が補充されます。

CH₃COOH ⇔ CH₃COO^– + H⁺

その結果、［H+］はそれほど減少しません。

CH₃COOHやCH₃COO^–の濃度を高くすれば緩衝作用も高くなります。

緩衝作用の大きさは緩衝溶液中の弱酸と塩の濃度によって決まる。

弱塩基とその塩でも緩衝溶液を作ることができます。

NH₃ + H₂O ⇔ NH₄⁺ + OH^–

NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl^–

この混合水溶液はNH₃とNH₄⁺を多量に含んでいます。そのため酸を加えると次の中和反応が起こります。

NH₃ + H⁺ → NH₄⁺

また、塩基を加えると次の反応が起こります。

NH₄⁺ +OH^– → NH₃+ H₂O

減少した分のH⁺、OH^–は平衡によって補われるため、pHはそれほど変化しません。

酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝溶液では、次の電離平衡が成り立っています。

CH₃COOH ⇔ CH₃COO^– + H⁺

この式に対して、電離定数の式を立てて変形すると、次の式が得られます。

［CH₃COOH］は殆ど電離せず多量にあるので、定数とみなすことができます。また、［CH₃COO^–］は、酢酸から電離して生じた分は極わずかであるため、塩CH₃COONaが電離した分とみなすことができます。そのため、次の関係が成り立ちます。

［H⁺］= Ka × 「弱酸の濃度」/ 「塩の濃度」

強酸や強塩基は、外部から酸や塩基を加えてもpHがあまり変化しません。しかし、強酸や強塩基は、十分に希釈すればpHが変化するため、緩衝溶液ではありません。10倍に希釈すれば、pHは1下がります。

一方、緩衝溶液では、水溶液を10倍にしても、［CH₃COOH］/ ［CH₃COO^–］の比が変わらないため、下の式が示す通り、pHは変化しないのです。

［H⁺］= Ka × 「弱酸の濃度」/ 「塩の濃度」