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）

はじめに

【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。

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を緩衝液という。
• 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。

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、酢酸は次のような反応を起こす。

\[ \begin{align}
&\mathrm{CH_{3}COONa → CH_{3}COO^{-} + Na^{+}}\\
&\mathrm{CH_{3}COOH → CH_{3}COO^{-} + H^{+}}
\end{align} \]

• 酢酸ナトリウムは塩のため、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。

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

• 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^ー）が大量に出ているため抑制される。

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

• 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。

• 酢酸ナトリウムの濃度をC_s、酢酸の濃度をC_aとすると次のように近似できる。

\[\begin{align}
& [\mathrm{CH_{3}COO^{-}}]≒C_{s}\\
&\mathrm{[CH_{3}COOH]}≒C_{a}
\end{align}\]

• 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である。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。

\[ \begin{align}K_{a}&=\mathrm{\frac{ [CH_{3}COO^{-}][H^{+}] }{ [CH_{3}COOH] }}\\
↔︎\mathrm{[H^{+}]}&=K_{a}×\mathrm{\frac{ [CH_{3}COOH] }{ [CH_{3}COO^{-}] }}\\
&=K_{a}×\frac{ C_{a} }{ C_{s} } \end{align} \]

\[ \begin{align}
\mathrm{pH}&\mathrm{=-log_{10}[H^{+}]}\\
&\mathrm{=-\mathrm{log}_{10}}(\frac{ K_{a}×C_{a} }{ C_{s} })\\
&\mathrm{=-\mathrm{log}}_{10}K_{a}-\mathrm{log}_{10}( \frac{ C_{a} }{ C_{s} })\\
&=\mathrm{p}K_{a}-\mathrm{log}_{10}(\frac{ C_{a} }{ C_{s} })\\
&=\mathrm{p}K_{a}+\mathrm{log}_{10}(\frac{ C_{s} }{ C_{a} }) \end{align} \]

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