【プロ講師解説】このページでは『緩衝液(仕組み・共通イオン効果・濃度を使ったpH計算の解き方など)』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

緩衝液とは

弱酸+その塩の混合液
弱塩基+その塩の混合液
Point!

緩衝液とは弱酸とその塩の混合液、また、弱塩基とその塩の混合液である。

緩衝液は、酸や塩基を多少加えてもそのpHを変化させない性質(=緩衝作用)をもっている。

緩衝液の仕組み

緩衝液(緩衝作用)の仕組みについて、酢酸と酢酸ナトリウムの混合液を使って確認する。

酸を加える

酢酸と酢酸ナトリウムの混合液にHCl(酸)を加えると、次のような反応が起こる。

\[
CH_{3}COONa + HCl → CH_{3}COOH + NaCl
\]

(HClから出た)H+が(CH3COONaから出た)CH3COOと反応してCH3COOHとなり、結果的に溶液中のH+の濃度にはほとんど変化がない。(=pHにほとんど変化がない)

塩基を加える

次に、酢酸と酢酸ナトリウムの混合液にNaOH(塩基)を加えた場合を考える。

\[
CH_{3}COOH + NaOH → CH_{3}COONa + H_{2}O
\]

これも、(NaOHから出た)OHが(CH3COOHから出た)H+と反応して無くなり、溶液中のOHの濃度に変化はない。(=pHにほとんど変化がない)

このように、多少の酸や塩基が入ってきてもpHを変化させない性質を緩衝作用という。

共通イオン効果

次は共通イオン効果というものについて、先ほどと同様酢酸と酢酸ナトリウムの混合溶液を使って解説する。

一般的に、水溶液中で酢酸ナトリウム、酢酸は以下のような反応を起こす。

\[
CH_{3}COONa → CH_{3}COO^{-} + Na^{+}\\
CH_{3}COOH → CH_{3}COO^{-} + H^{+}
\]

酢酸ナトリウムは塩なので、完全に電離する。(上の式)
酢酸も(電離度を考慮しなくてはならないが)電離する。(下の式)

しかし、これらが混合液になったとき、普段とは少し異なった反応を示す。

酢酸ナトリウムの方は、通常通り電離する。

\[
CH_{3}COONa → CH_{3}COO^{-} + Na^{+}
\]

酢酸も電離しようとするが、酢酸ナトリウムから酢酸イオン(CH3COO)が大量に出ているため抑制されてしまう。

\[
CH_{3}COOH ← CH_{3}COO^{-} + H^{+}
\]

このように「共通しているイオンの放出が抑制される」ことを共通イオン効果という。

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式

緩衝液のpHを計算する前準備として、ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式について解説する。

\[
pH=pK_{a}+log_{10}\frac{ C_{s} }{ C_{a} }
\]
Point!

酢酸ナトリウムの濃度をCs、酢酸の濃度をCaとすると

\[
[CH_{3}COO^{-}]≒C_{s}\\
[CH_{3}COOH]≒C_{a}
\]

のように近似できる。

これは、CH3COONaが完全電離すること、また共通イオン効果により、CH3COOHの電離が抑制されることから理解できるはず。

さらに、これを使うと次のような式変形を行うことができる。

\[
K_{a}=\frac{ [CH_{3}COO^{-}][H^{+}] }{ [CH_{3}COOH] }\\
\begin{align}
↔︎[H^{+}]&=K_{a}×\frac{ [CH_{3}COOH] }{ [CH_{3}COO^{-}] }\\
&=K_{a}×\frac{ C_{a} }{ C_{s} } \end{align}
\]
\[
\begin{align}
pH&=-log_{10}[H^{+}]\\
&=-log_{10}(\frac{ K_{a}×C_{a} }{ C_{s} })\\
&=-log_{10}K_{a}-log_{10}( \frac{ C_{a} }{ C_{s} })\\
&=pK_{a}-log_{10}(\frac{ C_{a} }{ C_{s} })\\
&=pK_{a}+log_{10}(\frac{ C_{s} }{ C_{a} }) \end{align}
\]

一番最後の式をヘンダーソン・ハッセルバルヒの式と呼び、緩衝液のpHを求める際に使うことが多い。

緩衝液のpH計算

入試頻出の緩衝液が絡んだpH計算の解き方を解説する。

※基本的なpH計算の解き方については【pH計算】定義から公式、求め方、希釈や混合が絡む問題などを参照

緩衝液のpHの求め方

問題

0.20mol/L酢酸水溶液20mlと0.20mol/L酢酸ナトリウム水溶液10mlを混合して、1.0Lの混合溶液とした。このとき、この溶液のpHを求めよ。ただし、酢酸のpKaは4.7、log2=0.30とする。
\[
\begin{align}
pH&=pK_{a}+log_{10}(\frac{ C_{s} }{ C_{a} }) \\
&=4.7+log_{10}(\frac{ \frac{ 0.20×\frac{ 10 }{ 1000 } }{ 1.0 } }{ \frac{ 0.20×\frac{ 20 }{ 1000 } }{ 1.0 } }) \\
&=4.7-0.30\\
&=4.4
\end{align}
\]

緩衝液に酸を加えた場合のpHの求め方

問題

酢酸と酢酸ナトリウムが0.12molずつ含まれた1.0Lの混合溶液がある。
(1)この混合溶液のpHを求めよ。ただし、酢酸のpKaは4.7とする。
(2)この混合溶液に、1.0mol/Lの塩酸を40mL加えた。このときの混合溶液のpHを求めよ。ただし、log2=0.30とする。

(1)

ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式に与えられた値を当てはめる。

\[
\begin{align}
pH&=pK_{a}+log_{10}(\frac{ C_{s} }{ C_{a} }) \\
&=4.7+log_{10}(\frac{ \frac{ 0.12 }{ 1.0 } }{ \frac{ 0.12 }{ 1.0 } } ) \\
&=4.7-0\\
&=4.7
\end{align}
\]

(2)

緩衝液に酸または塩基を加えたときのpHは以下のSTEPで求める。

STEP1 反応量シートを書く
→酸(塩基)と塩のmolを求める
STEP2 STEP1で求めたmolをヘンダーソン・ハッセルバルヒの式に当てはめる
→混合溶液のpHを求める
Point!

STEP1

反応量シートを書く

まずは、反応量シートを書く。(反応量シートの書き方については化学反応式(係数・作り方・書き方・計算問題の解き方など)を参照)

このシートにより、酸(CH3COOH)と塩(CH3COONa)のmol数が分かる。

STEP2

STEP1で求めたmolをヘンダーソン・ハッセルバルヒの式に当てはめる

次に、STEP1で出したmolをヘンダーソン・ハッセルバルヒの式に代入する。(ここでは一応濃度に変換しているが、同じ溶液中にいる=体積が同じなので、molのまま使ってもOK)

\[
\begin{align}
pH&=pK_{a}+log_{10}(\frac{ C_{s} }{ C_{a} }) \\
&=4.7+log_{10}(\frac{ \frac{ 0.080 }{ 1 } }{ \frac{ 0.16 }{ 1 } } ) \\
&=4.7-0.30\\
&=4.4
\end{align}
\]

緩衝液に関する一問一答

問1

【】に当てはまる用語を答えよ。

弱酸とその塩の混合液、また弱塩基とその塩の混合液を【1】という。【1】は酸や塩基を多少加えてもそのpHを変化させない性質(=【2】)をもっている。

【問1】解答/解説:タップで表示
解答:【1】緩衝液【2】緩衝作用
弱酸+その塩の混合液
弱塩基+その塩の混合液
Point!

緩衝液とは弱酸とその塩の混合液、また、弱塩基とその塩の混合液である。

緩衝液は、酸や塩基を多少加えてもそのpHを変化させない性質(=緩衝作用)をもっている。

問2

【】に当てはまる用語を答えよ。

塩化銀AgClの飽和水溶液に塩化ナトリウムNaClを加えると塩化物イオンClの濃度が高くなるため、Clの濃度が【1(増加or減少)】する方向に平衡が移動し、AgClの固体が析出する。この現象を【2】という。

【問2】解答/解説:タップで表示
解答:【1】減少【2】共通イオン効果

AgCl ⇆ Ag+ + Cl

問3

0.20mol/L酢酸水溶液20mlと0.20mol/L酢酸ナトリウム水溶液10mlを混合して、1.0Lの混合溶液とした。このとき、この溶液のpHを求めよ。ただし、酢酸のpKaは4.7、log2=0.30とする。
【問3】解答/解説:タップで表示
解答:【1】4.4
\[
\begin{align}
pH&=pK_{a}+log_{10}(\frac{ C_{s} }{ C_{a} }) \\
&=4.7+log_{10}(\frac{ \frac{ 0.20×\frac{ 10 }{ 1000 } }{ 1.0 } }{ \frac{ 0.20×\frac{ 20 }{ 1000 } }{ 1.0 } }) \\
&=4.7-0.30\\
&=4.4
\end{align}
\]

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著者プロフィール

・化学のグルメ運営代表
・高校化学講師
・薬剤師
・デザイナー/イラストレーター

数百名の個別指導経験あり(過去生徒合格実績:東京大・京都大・東工大・東北大・筑波大・千葉大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など)
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆

著者紹介詳細