緩衝液は、酸や塩基が加えられた場合でも、溶液の pH をほぼ一定に保つのに役立つ化学薬品です。バッファリングは生体系に不可欠であり、恒常性または比較的一貫した内部環境を維持することができます。ただし、この記事では、議論の主なトピックは緩衝液の問題であり、それほど手間をかけずにソリューションを準備するのに役立ちます.
バッファの目的は何ですか?
バッファーは、少量の強酸と強塩基が導入されたときに pH シフトに耐えることができる共役酸と共役塩基の混合物として定義できます。
- 緩衝液中の酸は、強塩基を加えて水酸化物イオンを中和します。
- 強酸を加えると、緩衝液中の塩基がヒドロニウム イオンを中和します。
強酸または強塩基による緩衝溶液
目的を示したので、強酸または強塩基を F-/HF バッファーに追加するとどうなるかを調べてみましょう。溶液中の F- の量は 0.66M x 0.1 L =0.066 モルであるのに対し、溶液中の HF の量は 1.0 M x 0.1L =0.10 モルであることを思い出してください。濃度の代わりにモルを使用して、Henderson-Hasselbalch 近似を使用して pH を再確認しましょう。
Log(塩基/酸) =3.18 + log(0.066 モル F-/0.10 モル HF) =3.00 pH =pKa + log(塩基/酸) =3.18 + log(0.066 モル F-/0.10 モル HF) =3.00
塩酸などの強酸を少量加えるとどうなるか観察してみましょう。
HCl を水に溶かすと、H3O+ と Cl- に分離します。
塩素は強酸の共役塩基であるため、不活性で pH に影響を与えないため、無視してもかまいません。一方、H3O+ は pH を変化させ、緩衝成分と反応する可能性があります。式は次のとおりです。
F−(aq)+H3O(aq)+⇌HF(aq)+H2O(l)
添加した H3O+ 1 モルごとに当量の共役塩基が反応するため、どちらかが実際に使い果たされるまで反応は続きます。したがって、反応の平衡定数は膨大です。
H3O+ がすべて消費される前に F- が枯渇すると、残りの H3O+ によって直接 pH が変化します。この場合、バッファーの容量を超えてしまうので、避けたいものです。余分な H3O+ の量が、存在する F- の量より少ないとしましょう。この場合、バッファ容量を超えることはありません。
問題:
緩衝液中の pH =pKa の場合、塩基と酸の比率は? pH =PKA + 1 の場合はどうなりますか?
解決策:
塩基対酸比が 1 の場合、log 1 =0 であるため、pH は pKa に等しくなります。log (塩基/酸) =1 の場合、塩基対酸比は 10:1 です。
問題:
十分な量の塩酸が溶解して 0.16 M HCl になったら、0.5 M NH3 と 0.5 M NH4Cl の緩衝溶液の pH を決定します。
解決策:
pKa =14 – pKb であるため、アンモニウム イオンの pKa は 9.25 です。 0.16 M H+ が 0.15 M アンモニアと相互作用すると、0.15 M アンモニウムが形成されます。 Henderson-Hasselbalch 式では、0.65 M アンモニウム イオン (酸) と 0.35 M 残留アンモニア (塩基) が置換されると、pH 8.98 が得られます。
問題:
pH 5.00 の 0.100 mol/L 緩衝液 1.00 L を作るには、酢酸ナトリウムと酢酸塩を何モル使用する必要がありますか?
解決策:
pH =log([A][HA]) + pKa
4.74 + ログ ([A][HA]) =5.00
[A][HA]) =0.26 log([A][HA]) log([A][HA]) log([A]
[A][HA]=10.26 =1.82 [A][HA]=10.26 =1.82 [A][HA]=10.26
1.82 [A] =1.82 [A] =1.82 [A] =1.82 [ハ]
さらに、[A] + [HA] =0.100 mol/L
[HA] + [HA] =0.100 mol/L [HA] + [HA] =1.82 [HA] + [HA] =0.100 mol/L
0.100 mol/L [HA] =2.82
[HA] =0.0355 mol/L [A] =(0.100 – 0.0355) mol/L =0.0645 mol/L
したがって、1 L の緩衝液を作るには、0.0355 mol の酢酸と 0.0645 mol の酢酸ナトリウムを組み合わせます。
バッファのコンポーネントは何ですか?
pH範囲を効率的に維持するには、弱い共役酸-塩基対が必要です。バッファーを構築するとき、どちらを使用するかは目的の pH に依存します。
例:
酢酸 (弱有機酸 CH3COOH) と塩には、酢酸ナトリウム (CH3COONa) などの酢酸アニオン (CH3COO-) があります。
ピリジン (式 C5H5N の弱塩基) と塩化ピリジニウム塩には共役酸 (C5H5NH+) があります。
アンモニア (式 NH3 の弱塩基) と塩には、水酸化アンモニウム (NH4OH) などのアンモニウム カチオンの共役酸が含まれています。
結論
緩衝液は、酸または塩基性成分が追加されたときに pH の変化に耐えることができる混合物です。添加された少量の酸または塩基を中和し、溶液の pH を比較的一定に保つことができます。緩衝液には、機能的な pH 範囲と、pH が変化する前に中和できる酸/塩基の量を決定する能力があります。
