緩衝液のはたらきとしくみ

弱酸とその塩（または弱塩基とその塩）の混合水溶液が緩衝液になることを見分け、少量の酸・塩基を加えたときに $H^{+}$ ・ $OH^{-}$ がどの粒子と反応して消費されるかを判定できる

前提

共通イオン効果（高校化学化学平衡（知識））

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弱酸・弱塩基の電離平衡と電離度（高校化学化学平衡（知識））
共通イオン効果（高校化学化学平衡（知識））

説明

弱酸とその塩（例: 酢酸と酢酸ナトリウム）や、弱塩基とその塩（例: アンモニアと塩化アンモニウム）の混合水溶液は、少量の酸や塩基を加えても pH がほとんど変わりません。このような水溶液を緩衝液といい、そのはたらきを緩衝作用といいます。この技能では、ある水溶液が緩衝液かどうかを見分け、加えた $H^{+}$ や $OH^{-}$ が溶液中のどの粒子と反応して消費されるかを判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

酢酸と酢酸ナトリウムの混合水溶液を考えます。酢酸ナトリウムはほぼ完全に電離して $CH_{3} COO^{-}$ と $Na^{+}$ を生じます。一方、酢酸 $CH_{3} COOH ⇄ CH_{3} COO^{-} + H^{+}$ はもともと電離度が小さいうえに、共通イオン効果で電離がさらにおさえられるので、ほとんど $CH_{3} COOH$ 分子のまま存在します。つまりこの溶液には、酸としてはたらける $CH_{3} COOH$ と、塩基としてはたらける $CH_{3} COO^{-}$ の両方がたくさんある、というのがポイントです。

ここに少量の $H^{+}$ を加えると、たくさんある $CH_{3} COO^{-}$ が受け取って $CH_{3} COO^{-} + H^{+} \to CH_{3} COOH$ となり、 $H^{+}$ が消費されます。少量の $OH^{-}$ を加えると、たくさんある $CH_{3} COOH$ が $H^{+}$ を与えて $CH_{3} COOH + OH^{-} \to CH_{3} COO^{-} + H_{2} O$ となり、 $OH^{-}$ が消費されます。どちらの場合も、加えたイオンがすぐに別の粒子に変わってしまうので、 $[H^{+}]$ はわずかしか変わらず、pH はほぼ一定に保たれます。

アンモニアと塩化アンモニウムの混合水溶液でも同じで、 $H^{+}$ は $NH_{3}$ が受け取り（ $NH_{3} + H^{+} \to NH_{4}^{+}$ ）、 $OH^{-}$ は $NH_{4}^{+}$ が受け取ります（ $NH_{4}^{+} + OH^{-} \to NH_{3} + H_{2} O$ ）。なお、塩酸と塩化ナトリウムのような強酸とその塩では、 $Cl^{-}$ は $H^{+}$ をほとんど受け取らないので緩衝液になりません。

手順

混合物が「弱酸とその塩」または「弱塩基とその塩」の組合せかを確かめる（強酸・強塩基とその塩なら緩衝液ではない）
溶液中に多量に存在する 2 種類の粒子を書き出す（酢酸緩衝液なら $CH_{3} COOH$ と $CH_{3} COO^{-}$ 、アンモニア緩衝液なら $NH_{3}$ と $NH_{4}^{+}$ ）
加えたのが $H^{+}$ （酸）なら、2 つのうち $H^{+}$ を受け取れる側（ $CH_{3} COO^{-}$ や $NH_{3}$ ）と反応すると判定する
加えたのが $OH^{-}$ （塩基）なら、2 つのうち $H^{+}$ を与えられる側（ $CH_{3} COOH$ や $NH_{4}^{+}$ ）と反応すると判定する
反応式を書いて確かめ、加えたイオンが消費されるので pH はほとんど変わらない、と結論する

例題

酢酸と酢酸ナトリウムを同じ物質量ずつ含む水溶液に、少量の塩酸を加えた。加えた塩酸に由来する水素イオン $H^{+}$ は、主にどの粒子と反応して消費されるか。最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　 $CH_{3} COOH$
イ　 $CH_{3} COO^{-}$
ウ　 $Na^{+}$
エ　 $OH^{-}$

例題の解答

手順1 酢酸は弱酸、酢酸ナトリウムはその塩なので、この水溶液は緩衝液である。

手順2 酢酸ナトリウムはほぼ完全に電離して $CH_{3} COO^{-}$ を多量に生じ、酢酸は共通イオン効果で電離がおさえられてほとんど $CH_{3} COOH$ のまま存在する。よって多量にある粒子は $CH_{3} COOH$ と $CH_{3} COO^{-}$ 。

手順3 加えたのは $H^{+}$ なので、 $H^{+}$ を受け取れる $CH_{3} COO^{-}$ と反応する。 $CH_{3} COOH$ は $H^{+}$ を与える側なので $H^{+}$ とは反応しない（ア）。 $Na^{+}$ は $H^{+}$ と反応しない（ウ）。 $OH^{-}$ はこの溶液中にごくわずかしかなく、主な相手ではない（エ）。

手順5 反応式は $CH_{3} COO^{-} + H^{+} \to CH_{3} COOH$ 。加えた $H^{+}$ が消費されるので pH はほとんど変わらない。

よって答えはイ。

答え:

イ

よくある誤り

酢酸緩衝液に加えた $H^{+}$ が $CH_{3} COOH$ と反応するとしてしまう誤り。正しくは、 $H^{+}$ を受け取るのは $CH_{3} COO^{-}$ で、 $CH_{3} COO^{-} + H^{+} \to CH_{3} COOH$ となる。 $CH_{3} COOH$ が反応するのは $OH^{-}$ を加えたとき（ $CH_{3} COOH + OH^{-} \to CH_{3} COO^{-} + H_{2} O$ ）である。
強酸とその塩（例: $HCl$ と $NaCl$ ）の混合水溶液も緩衝液になるとしてしまう誤り。正しくは、 $Cl^{-}$ は $H^{+}$ をほとんど受け取らず、加えた $H^{+}$ がそのまま残るので緩衝作用はない。緩衝液になるのは弱酸とその塩、または弱塩基とその塩の組合せである。
アンモニア緩衝液に加えた $OH^{-}$ が $NH_{3}$ と反応するとしてしまう誤り。正しくは、 $OH^{-}$ は $NH_{4}^{+}$ と反応し、 $NH_{4}^{+} + OH^{-} \to NH_{3} + H_{2} O$ となる。
緩衝液は酸や塩基をどれだけ加えても pH がまったく変わらないとしてしまう誤り。正しくは、pH がほとんど変わらないのは少量を加えたときで、わずかには変化する。多量に加えて $CH_{3} COO^{-}$ や $CH_{3} COOH$ を使い切ると、pH は大きく変化する。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
酢酸 $C H_{3} COOH$ と酢酸ナトリウム $C H_{3} COONa$ を同じ物質量ずつ含む混合水溶液がある。この水溶液中では、酢酸ナトリウムはほぼ完全に電離して $C H_{3} CO O^{-}$ と $N a^{+}$ になっており、酢酸はほとんど電離せずに $C H_{3} COOH$ のまま存在している。この水溶液について述べた文として正しいものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　少量の塩酸を加えると、加えた $H^{+}$ は主に $C H_{3} COOH$ と反応して消費される。
- イ　少量の塩酸を加えると、加えた $H^{+}$ は主に $C H_{3} CO O^{-}$ と反応して消費される。
- ウ　少量の水酸化ナトリウム水溶液を加えると、加えた $O H^{-}$ は主に $C H_{3} CO O^{-}$ と反応して消費される。
- エ　酢酸の代わりに塩酸、酢酸ナトリウムの代わりに塩化ナトリウムを用いた混合水溶液も、同じように緩衝作用を示す。

	a	b
ア	$N H_{4}^{+}$	$N H_{3}$
イ	$C l^{-}$	$N H_{4}^{+}$
ウ	$N H_{3}$	$N H_{4}^{+}$
エ	$N H_{3}$	$C l^{-}$
オ	$N H_{4}^{+}$	$C l^{-}$

	a	b
ア	$C H_{3} CO O^{-}$	$C H_{3} COOH$
イ	$N a^{+}$	$C H_{3} CO O^{-}$
ウ	$C H_{3} COOH$	$N a^{+}$
エ	$C H_{3} COOH$	$C H_{3} CO O^{-}$

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