この実験について
血液、海水、多くの医薬品は、酸や塩基が加えられてもpHをほぼ一定に保つ必要があります。それを可能にするのが緩衝液です。緩衝液は弱酸とその共役塩基の混合物です。少量の強酸を加えると塩基がそれを取り除き、少量の強塩基を加えると弱酸が中和します。緩衝液と純水に酸と塩基をそれぞれ1滴ずつ加え、指示薬の色を観察して、緩衝液が効果を発揮する条件と使い切られる条件を確かめましょう。
学習目標
- 少量の酸または塩基を加えてもpHの変化を抑える溶液を、緩衝液と定義する
- 弱酸とその共役塩基が、加えられた H⁺ イオンと OH⁻ イオンをどのように取り除くか説明する
- ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を使って、緩衝液のpHを計算する
- 濃度と塩基／酸の比が緩衝能にどのように影響するか説明してください
- pKaを使って、目標pHに合う緩衝液の組み合わせを選んでください
使い方
- 1酸を1 mLずつ5回加えてください。緩衝液と水でのpHの変化を比較してください。
- 2もう一度「開始」を押して、塩基を10 mL加えてください。それぞれのpHはどれくらい変化しますか？
- 3緩衝液のpHが急激に下がるまで酸を加え続けてください。酸はどれくらい加えましたか？緩衝液中の塩基の物質量と比較してください。
- 4濃度0.02 mol/Lの緩衝液で再度開始し、次に0.4 mol/Lで試してください。どちらのほうが変化に強いですか？
- 5塩基と酸の比を1 : 4、次に4 : 1に変えてください。pH = pKa + log([塩基]/[酸])を使って、開始時のpHを確認してください。
- 6血液のように、溶液をpH 7.4付近に保つには、どの緩衝液の組み合わせを使いますか？
モデル
前提条件
- 各ビーカーには、25 °Cで100 mLの液体が入っています。加える酸は0.1 mol/LのHCl、塩基は0.1 mol/LのNaOHで、加えるにつれて体積が増加します。
- 活量ではなく濃度を用い、各緩衝液の酸塩基対について、解離段階は1段階のみを考慮しています（pKa 4.76、7.21、9.25）。
- 電荷収支を厳密に解いてpHを求めるため、緩衝能が尽きた後も正しい値が得られます。比較のため、ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式による値も表示しています。
- 水の初期pHは7.00です。空気中の二酸化炭素が溶け込む影響は無視しています。
授業で試してみましょう
- Q1なぜ0.1 M HClを1 mL加えると、水のpHは約4単位変化するのに、緩衝液では約0.01しか変化しないのでしょうか？
- Q2緩衝液に0.05 mol/Lのエタン酸と0.05 mol/Lのエタン酸ナトリウムが含まれています。この緩衝液のpHはいくつですか？
- Q3酸と塩基の濃度が等しいとき、緩衝液が最も効果的なのはなぜですか？
- Q4緩衝液を水で希釈してもpHがほとんど変化しない一方で、緩衝能が低下する理由を説明してください。
- Q5炭酸と炭酸水素イオンの組は、血液のpHを約7.4に保っています。激しい運動中にこの緩衝系がなかったら、血液のpHはどうなるでしょうか？
よくある質問
緩衝液は中性の溶液と同じですか？
いいえ。緩衝液は、弱酸のpKaに近いpHであれば、どのようなpHでもその値を保つことができます。酢酸イオンの緩衝液はpH約4.8、アンモニア緩衝液はpH約9.3を保ちます。緩衝液である理由は、pHの値そのものではなく、pHがほとんど変化しないことです。
緩衝能とは何ですか？
緩衝液のpHが目に見えて変化する前に、どれだけの強酸または強塩基を受け入れられるかを表します。酸と塩基の濃度が等しいときに最大となり、全体の濃度が高いほど大きくなります。
緩衝液を使い切ると、なぜヘンダーソン・ハッセルバルヒの式による推定ができなくなるのですか？
この式を使うには、酸と塩基の両方が存在している必要があります。どちらか一方がすべて反応してしまうと、対数を計算できなくなり、代わりに過剰に残った強酸または強塩基によってpHが決まります。