緩衝液のはたらき
カメレオン先生緩衝液は弱酸とその塩が両方あるから強い。酸を入れたら酢酸イオンが、塩基を入れたら酢酸が受け止めるよ。
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- 弱酸（新しいタブで開きます）とその塩（新しいタブで開きます）を混ぜた緩衝液は、少量の酸や塩基を加えてもpH（新しいタブで開きます）がほとんど変わらない。
- 酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液では、CH₃COO⁻が加えたH⁺を、CH₃COOHが加えたOH⁻を受け止める。
- 緩衝液のpHは[H⁺]＝Ka×[CH₃COOH]/[CH₃COO⁻]という式で、電離定数（新しいタブで開きます）Kaと濃度の比から求められる。
詳しく
緩衝液のしくみ
弱酸CH₃COOHと、その陰イオン（新しいタブで開きます）CH₃COO⁻の両方がたくさん共存する水溶液は、酢酸ナトリウムという塩を酢酸に一定量だけ溶かし込むことでつくれる。このような水溶液を緩衝液と呼ぶ。
緩衝液に少量の強酸を加えると、増えたH⁺はすぐにCH₃COO⁻＋H⁺→CH₃COOHの反応で酢酸イオンに受け止められる。少量の強塩基を加えると、増えたOH⁻はCH₃COOH＋OH⁻→CH₃COO⁻＋H₂Oの反応で酢酸に受け止められる。
どちらの場合も、水溶液中のCH₃COOHとCH₃COO⁻の量がわずかに変わるだけで、[H⁺]やpHはほとんど変化しない。これを緩衝液の緩衝作用という。
例：緩衝液のpHを求める
緩衝液のpHは、酢酸の電離定数の式を[H⁺]について解いたという式で求められる。
例1：0.10mol/Lの酢酸と0.10mol/Lの酢酸ナトリウムを混ぜた緩衝液で、Kaは1.0×10⁻⁵mol/Lとした。濃度の比は0.10÷0.10＝1なので、[H⁺]＝1.0×10⁻⁵×1＝1.0×10⁻⁵mol/Lで、pHは5になる。
例2：酢酸0.20mol/Lと酢酸ナトリウム0.020mol/L（酢酸が10倍多い）を混ぜると、[H⁺]＝1.0×10⁻⁵×(0.20÷0.020)＝1.0×10⁻⁵×10＝1.0×10⁻⁴mol/Lとなり、pHは4になる。酢酸の割合が多いほどpHは小さくなる。
緩衝液はなぜ身近でも使われるのか
緩衝液のpHが変わりにくいのは、酢酸と酢酸イオンの量が十分に多いためだ。少量の酸や塩基が加わっても、もとの量に比べれば変化がわずかなので、[CH₃COOH]/[CH₃COO⁻]の比はほとんど変わらず、[H⁺]も変化しにくい。
加える酸や塩基の量が多くなり、CH₃COOHかCH₃COO⁻のどちらかがほぼ使い切られると、緩衝作用は効かなくなりpHが大きく変わり始める。緩衝液には、それ以上pHが保てる上限（緩衝能）があるのだ。
体液（新しいタブで開きます）のpHをほぼ一定に保つ血液にも、炭酸と炭酸水素イオンによる緩衝作用が使われている。生物の体内の反応は決まったpHでしか進まないものが多く、緩衝液のしくみは生命を支える重要な役割を担っている。
確認問題
確認問題（解答用紙）
スマホやタブレットで読み取ると、この問題をその場で解けます。
https://manazoo.com/science/buffer-solutions/?from=print#quiz
0.020mol/Lの酢酸と0.20mol/Lの酢酸ナトリウムを混ぜた緩衝液のpHを求めよ。酢酸の電離定数Kaは1.0×10⁻⁵mol/Lとする。
答え：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
正解：6
[H⁺]＝Ka×[CH₃COOH]/[CH₃COO⁻]＝1.0×10⁻⁵×(0.020÷0.20)＝1.0×10⁻⁵×0.10＝1.0×10⁻⁶mol/Lなので、pH（新しいタブで開きます）は6。酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液に少量の強酸を加えたとき、加わったH⁺と主に反応する物質はどれか。
- ◯ CH₃COOH（酢酸）
- ◯ Na⁺（ナトリウムイオン）
- ◯ H₂O（水）
- ◯ CH₃COO⁻（酢酸イオン）
正解：CH₃COO⁻（酢酸イオン）
加わったH⁺はCH₃COO⁻＋H⁺→CH₃COOHの反応で酢酸イオン（新しいタブで開きます）に受け止められ、[H⁺]の急な増加が抑えられる。酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液に少量の強塩基を加えたとき、加わったOH⁻と主に反応する物質はどれか。
- ◯ Na⁺（ナトリウムイオン）
- ◯ CH₃COO⁻（酢酸イオン）
- ◯ CH₃COOH（酢酸）
- ◯ OH⁻自身は反応しない
正解：CH₃COOH（酢酸）
加わったOH⁻はCH₃COOH＋OH⁻→CH₃COO⁻＋H₂Oの反応で酢酸に受け止められ、[OH⁻]の急な増加が抑えられる。
単元のポイント
- 緩衝液 弱酸とその塩（または弱塩基とその塩）を混ぜた、少量の酸・塩基を加えてもpHが変わりにくい水溶液
- 緩衝作用 加えたH⁺をCH₃COO⁻が、加えたOH⁻をCH₃COOHが打ち消し、pHの変化を抑えるはたらき
- 緩衝液のpH [H⁺]＝Ka×[CH₃COOH]/[CH₃COO⁻]。酸と塩のモル濃度（新しいタブで開きます）の比とKaだけで決まる
- 濃度が等しい緩衝液 [CH₃COOH]と[CH₃COO⁻]が等しいとき、[H⁺]＝Kaになる