コア コンセプト
このチュートリアルでは、バッファ容量とは何か、およびその計算方法を学習します。また、問題例のウォークスルーも提供します。
他の記事で取り上げるトピック
- 緩衝液とは?
- 酸塩基化学
- pH とは? pH の公式と方程式
- 弱酸と弱塩基
バッファ容量とは?
バッファーは pH の変化に耐性がありますが、無敵ではありません!緩衝液に十分な量の酸または塩基を加えると、pH が劇的に変化します。
なぜこれが起こるのかを理解するには、バッファーが弱酸とその共役塩基 (または弱塩基とその共役酸) であることを思い出してください。そのような緩衝液の例を見てみましょう:酢酸とその共役塩基である酢酸塩です。
CH3 COOH(aq) ⇄ CH3 COO(aq) + H(aq)
ここで、緩衝液に酸を加えると、酢酸塩は加えられたプロトン (H+) を吸収して酢酸を形成し、溶液の H+ 濃度を防ぎ、その結果としてその pH が大きく変化するのを防ぎます。同様に、緩衝液に塩基を加えると、酢酸が塩基と反応して酢酸塩と水を形成し、OH 濃度の上昇を防ぎます。
しかし、これらの酢酸や酢酸塩は限りある資源です。大量の酸または塩基を加えると、緩衝液の酢酸と酢酸塩がすべて使い果たされ、緩衝液が劇的な pH 変化の影響を受けやすくなります。
緩衝能とは、pH が劇的に変化する前に緩衝液に加えることができる酸または塩基の量です .容量が大きいほど、pH が大幅に変化する前に、より多くの酸と塩基を加えることができます。
バッファ容量の一般的な傾向
バッファーの弱酸と共役塩基 (または弱塩基と共役酸) の濃度が高いほど、その容量は大きくなります。たとえば、[弱酸] =0.50 M ([ ] は濃度を示す) および [共役塩基] =0.30 M のバッファーは、[弱酸] =0.050 M および [共役塩基] =のバッファーよりも容量が大きくなります。 0.030 M.
バッファーの弱酸の濃度が共役塩基の濃度より高い場合、塩基を追加する能力が高くなります。
同様に、緩衝液が弱酸よりも共役塩基の濃度が高い場合、追加された酸に対する耐性が高くなります。重炭酸塩と炭酸塩の比率が 20:1 の血液は、このタイプの緩衝液の好例です。
バッファ容量の計算方法
より厳密に言えば、緩衝能は、pH を 1 単位変化させるために 1 リットルの緩衝液に加える必要がある酸または塩基のモル数として定義されます。
したがって、バッファ容量を計算するには、次の式を使用します:
β =n / ΔpH
- β はバッファ容量です (単位はありません)
- n は、緩衝液 1 リットルあたりの (緩衝液に添加された) 酸または塩基のモル数です
- ΔpH は、緩衝液の初期 pH と、酸または塩基を添加した後の緩衝液の pH との差です
バッファ容量の問題例
問題:
pH 7.39 のリン酸ナトリウム緩衝液 600 mL が与えられます。次に、150 mL の 0.2 M HCl を追加し、緩衝液の新しい pH を 7.03 にします。リン酸ナトリウム緩衝液の容量は?
解決策:
まず、バッファーに追加した HCl のモル数をバッファーの初期容量 (リットル単位、忘れないでください!) で割り、n を求めます。
HCl のモル数 =0.2 M × 0.150 L =0.03 mol
n =0.03 モル / 0.600 L =0.05 mol/L
次に、式に従って、n をリン酸ナトリウム溶液の pH の変化で割ります。
ΔpH =|7.03 – 7.39| =0.36
β =0.05 mol/L / 0.36 =0.14
したがって、リン酸ナトリウム溶液の緩衝能は 0.14 です。
参考文献
- ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式
- 強酸と強塩基
- 一塩基酸、三塩基酸、多塩基酸
