この教材で学ぶこと
到達目標
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緩衝液とは何かを説明できる
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緩衝液がpH変化を小さくする仕組みを理解できる
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弱酸とその塩からなる緩衝液を説明できる
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弱塩基とその塩からなる緩衝液を説明できる
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緩衝液と共通イオン効果を関連づけられる
前提知識
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pH
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酸・塩基
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電離平衡
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化学平衡
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共通イオン効果
1
緩衝液とは
緩衝液とは、少量の酸や塩基を加えてもpHが大きく変化しにくい水溶液です。
普通の水に少量の酸や塩基を加えると、pHは大きく変化します。
しかし緩衝液では、加えられたH⁺やOH⁻を打ち消す成分があるため、pHの変化が小さく抑えられます。
血液や細胞内の液体など、生体内でもpHを一定に保つために緩衝作用が重要です。
確認ポイント
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緩衝液がpH変化を小さくする水溶液であることを説明できる
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緩衝作用が生体内でも重要であることを理解できる
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2
緩衝液の基本構成
緩衝液は、弱酸とその塩、または弱塩基とその塩を混ぜることで作られます。
弱酸とその塩の例として、酢酸 CH₃COOH と酢酸ナトリウム CH₃COONa の混合溶液があります。
弱塩基とその塩の例として、アンモニア NH₃ と塩化アンモニウム NH₄Cl の混合溶液があります。
重要なのは、酸として働ける成分と、塩基として働ける成分の両方が含まれていることです。
代表的な緩衝液
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種類
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組み合わせ
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含まれる主な成分
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弱酸型緩衝液
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酢酸 + 酢酸ナトリウム
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CH₃COOH と CH₃COO⁻
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弱塩基型緩衝液
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アンモニア + 塩化アンモニウム
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NH₃ と NH₄⁺
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確認ポイント
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弱酸とその塩で緩衝液が作れることを説明できる
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弱塩基とその塩で緩衝液が作れることを説明できる
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代表的な緩衝液の組み合わせを答えられる
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3
酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液
酢酸 CH₃COOH と酢酸ナトリウム CH₃COONa を含む水溶液は、代表的な緩衝液です。
酢酸は弱酸なので、一部だけ電離して CH₃COO⁻ と H⁺ を生じます。
酢酸ナトリウムは水中で電離して CH₃COO⁻ を多く供給します。
この溶液には、H⁺を受け取れる CH₃COO⁻ と、OH⁻を打ち消せる CH₃COOH の両方があります。
酢酸の電離平衡
CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺
酢酸と酢酸イオンの両方が存在します。
酢酸ナトリウムの電離
CH₃COONa → CH₃COO⁻ + Na⁺
酢酸イオン CH₃COO⁻ を供給します。
酢酸緩衝液の成分
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成分
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働き
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CH₃COOH
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加えられたOH⁻を打ち消す
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CH₃COO⁻
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加えられたH⁺を受け取る
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確認ポイント
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酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液に含まれる成分を説明できる
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CH₃COOHとCH₃COO⁻の役割を区別できる
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4
酸を加えたときの緩衝作用
酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液に少量の酸を加えると、H⁺が増えます。
このとき、溶液中の CH₃COO⁻ が H⁺ を受け取って CH₃COOH になります。
その結果、加えられたH⁺が消費され、pHの低下が小さく抑えられます。
つまり、酢酸イオンが塩基として働いて、酸の影響を和らげます。
酸を加えたとき
CH₃COO⁻ + H⁺ → CH₃COOH
加えられたH⁺を酢酸イオンが受け取ります。
確認ポイント
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酸を加えたときにCH₃COO⁻がH⁺を受け取ることを説明できる
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緩衝液でpHの低下が小さくなる理由を説明できる
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5
塩基を加えたときの緩衝作用
酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液に少量の塩基を加えると、OH⁻が増えます。
このとき、溶液中の CH₃COOH が OH⁻ と反応して CH₃COO⁻ と H₂O になります。
その結果、加えられたOH⁻が消費され、pHの上昇が小さく抑えられます。
つまり、酢酸が酸として働いて、塩基の影響を和らげます。
塩基を加えたとき
CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O
加えられたOH⁻を酢酸が打ち消します。
確認ポイント
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塩基を加えたときにCH₃COOHがOH⁻を消費することを説明できる
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緩衝液でpHの上昇が小さくなる理由を説明できる
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6
アンモニアと塩化アンモニウムの緩衝液
アンモニア NH₃ と塩化アンモニウム NH₄Cl を含む水溶液も緩衝液になります。
NH₃は弱塩基としてH⁺を受け取ることができます。
NH₄Clは水中で電離して NH₄⁺ を供給します。
この溶液には、H⁺を受け取るNH₃と、OH⁻を打ち消すNH₄⁺の両方があるため、pHが大きく変化しにくくなります。
アンモニアの塩基性
NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻
NH₃とNH₄⁺の組み合わせが緩衝作用を示します。
塩化アンモニウムの電離
NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl⁻
NH₄⁺を供給します。
アンモニア緩衝液の成分
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成分
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働き
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NH₃
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加えられたH⁺を受け取る
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NH₄⁺
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加えられたOH⁻を打ち消す
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確認ポイント
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NH₃とNH₄Clの緩衝液に含まれる成分を説明できる
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NH₃とNH₄⁺の役割を区別できる
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7
緩衝液と共通イオン効果
緩衝液の性質は、共通イオン効果とも関係しています。
酢酸水溶液に酢酸ナトリウムを加えると、CH₃COO⁻ が増えます。
すると、酢酸の電離平衡 CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺ は左へ移動し、H⁺濃度の急な増加が抑えられます。
弱酸とその共役塩基が一緒に存在することで、pHが安定しやすくなります。
酢酸の電離平衡
CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺
CH₃COO⁻が多いことで、電離が抑えられます。
注意：緩衝液は、弱酸・弱塩基の電離平衡を利用したpH調整の仕組みと考えられます。
確認ポイント
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緩衝液と共通イオン効果を関連づけられる
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弱酸と共役塩基が同時に存在する意味を説明できる
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8
緩衝液が効かなくなる場合
緩衝液は少量の酸や塩基には対応できますが、大量に加えられるとpHを保てなくなります。
たとえば、酢酸緩衝液に大量の酸を加えると、CH₃COO⁻が使い切られてしまいます。
大量の塩基を加えると、CH₃COOHが使い切られてしまいます。
このように、緩衝液にはpH変化を抑えられる限界があります。
緩衝作用の強さは、緩衝液中に含まれる弱酸とその塩の量にも関係します。
緩衝作用の限界
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加えるもの
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消費される成分
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限界
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酸 H⁺
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CH₃COO⁻
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CH₃COO⁻が少なくなるとpHが下がりやすい
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塩基 OH⁻
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CH₃COOH
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CH₃COOHが少なくなるとpHが上がりやすい
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確認ポイント
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緩衝液にも限界があることを説明できる
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大量の酸・塩基を加えるとpHが大きく変化する理由を理解できる
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9
緩衝液の例題
緩衝液の問題では、どの成分がH⁺を受け取るか、どの成分がOH⁻を打ち消すかがよく問われます。
まず、弱酸とその共役塩基、または弱塩基とその共役酸のペアを見つけましょう。
例題：酢酸 CH₃COOH と酢酸ナトリウム CH₃COONa の混合溶液は緩衝液になるか。
答え：なる
弱酸CH₃COOHと、その共役塩基CH₃COO⁻を含むため、緩衝作用を示します。
例題：酢酸緩衝液に少量の酸を加えたとき、H⁺を受け取る主な成分は何か。
答え：CH₃COO⁻
酢酸イオンがH⁺を受け取ってCH₃COOHになります。
例題：酢酸緩衝液に少量の塩基を加えたとき、OH⁻を打ち消す主な成分は何か。
答え：CH₃COOH
酢酸がOH⁻と反応してCH₃COO⁻とH₂Oになります。
例題：緩衝液に大量の酸を加えると、pHは保たれ続けるか。
答え：保たれ続けない
緩衝成分が使い切られると、pHは大きく変化します。
確認ポイント
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緩衝液になる組み合わせを判断できる
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酸を加えたときの反応を説明できる
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塩基を加えたときの反応を説明できる
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緩衝作用の限界を説明できる
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