緩衝溶液について

３年３組　福與貴紀、渡辺嘉朗

はじめに　******************

　水に強酸や強塩基を加えていくと、ｐＨは大きく変化するが、緩衝溶液とは Ｈ⁺ の増減を抑えて溶液のｐＨをつねに一定に保つものである。緩衝溶液は、電離平衡をうまく利用したものであり、一般には、弱酸とその塩、弱塩基とその塩からなる水溶液が緩衝溶液となる。今回の実験では、弱酸（酢酸）とその共役塩基（酢酸イオン）からなる緩衝溶液を用いて、この緩衝溶液の組成と酸および塩基に対する緩衝能力との関係について調べる。

実験方法　******************

　今回使用した実験装置および試薬は以下の通りである。

　まず、1.0(mol/l) CH3COOHaqおよびCH3COONaaqを各々 (a) 1 : 1 (b) 3 : 1 (c) 4 :1 ずつとって混ぜ合わせた溶液を作る。調製した緩衝溶液(a)を25mlビーカーにとり、ガラス棒でよくかき混ぜてpHを測定する。

(a)　１：１　　(b)　３：１　　(c)　４：１　　

　緩衝溶液(a)にビュレットを用いて1.0(mol/l) HClaqを1滴ずつ滴下し、その都度pHを測定する。緩衝溶液(a)を25ml量を別のビーカーにとり1.0mol/l NaOHaqを1滴ずつ滴下し、その都度pHを測定する。
　緩衝溶液(b)および(c)についても同様の操作をおこなう。

実験結果　******************

　下図は、それぞれの緩衝溶液に、酸・塩基を加えていったときのｐH変化をグラフで表したものである。

考察　******************

緩衝溶液のｐHの値の求め方　　　　　　　　　　　　　　　（α＝電離度）
　　�@　　ＣＨ３ＣＯＯＨ　⇔ 　ＣＨ３ＣＯＯ^-　＋　Ｈ⁺ 　　　　　α≒0 　･･･弱酸だから
　　�A　　ＣＨ３ＣＯＯＮａ　⇔ 　ＣＨ３ＣＯＯ^-　＋　Ｎａ^＋ 　　 α≒1　 ･･･塩は完全電離する
　平衡定数を Ka とすると、
　　�@式の平衡定数　Ka＝［ＣＨ３ＣＯＯ^-］［Ｈ⁺］/　［ＣＨ３ＣＯＯＨ］　より
　　　　　［Ｈ⁺］＝　Ka［ＣＨ３ＣＯＯＨ］/ ［ＣＨ３ＣＯＯ^-］
　　　　ここで、ＣＨ３ＣＯＯＨは電離度が0に近いのでほとんど電離しない
　　　　　　　　　ＣＨ３ＣＯＯＮａは電離度がほぼ1なのでほとんど電離する
　　　　これより、［ＣＨ３ＣＯＯ^-］≒始めのＣＨ３ＣＯＯＮａの濃度＝C´
　　　　　　　　　　［ＣＨ３ＣＯＯＨ］≒始めのＣＨ３ＣＯＯＨの濃度＝C
　　　　　よって、　　［Ｈ⁺］＝ Ka×C/C´ となる
　　　　　　　∴ pH＝-log［Ｈ⁺］＝-log(Ka×C/C´)

　　log2＝0.3　　log3＝0.48　　Ka＝1.8×10^-5 とすると、
　　　(a) 1：1の場合　　　　　pH＝-log(Ka×1/1)　＝4.74
　　　(b) 3：1の場合　　　　　pH＝-log(Ka×3/1)　＝4.26
　　　(c) 4：1の場合　　　　　pH＝-log(Ka×4/1)　＝4.14

−酢酸は弱塩基、酢酸ナトリウムは強電解質なので、水溶液中には酢酸分子と酢酸イオンが多量に存在する。この溶液にＨＣｌを加えても、Ｈ⁺は次の反応で消費されてしまうので、Ｈ⁺濃度はほとんど変化しない
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全体のまとめ
　　　　　　　　ＣＨ３ＣＯＯＮａ　⇔ 　ＣＨ３ＣＯＯ^-　＋　Ｎａ^＋ 　　　�@
　　　　　　　　ＣＨ３ＣＯＯＨ　⇔ 　ＣＨ３ＣＯＯ^-　＋　Ｈ⁺ 　　　　　　�A
　　　　　　　　2H₂O 　　⇔ 　　H^＋　＋　OH⁻ 　　　　　　　　　�B

　もし、ここに酸を加えると、反応式�Aの平衡が左に動き、H+が減少し、加えた酸の影響を薄める。逆に、塩基を加えると、反応式�Bの平衡が左に移動する。
　その式�Bの平行の移動により減少したH⁺を補うように、反応式�Aの平衡が右へ移動し、結果として、加えた塩基の影響を薄めることができる。
　このように緩衝溶液の特徴ともいわれる電離平衡をうまく利用していることがわかる。
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＜濃度が高いほど緩衝能力が大＞
　酢酸(ナトリウム)緩衝溶液は10mMよりも100mMの方がその緩衝能力は大きくなります。　
　ただし、濃度が高いと析出しやすくなるらしい。
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感想　******************

　今回の実験は、酢酸と酢酸ナトリウムとの緩衝液を調べたけれど、他の溶液ではpHの値の変動はどうなっていくのか調べてみたい。（福與）
　楽しかった（嘉朗）