バッファー

バッファーは、強酸や強塩基の添加に関係なく、システム内のpHを一定に保つために機能する溶液です。緩衝液がない場合、溶液に強酸または塩基を添加すると、pHが大幅に変化します。バッファーは日常生活で非常に重要です。たとえば、血液は緩衝液として機能し、7.8を超えるまたは6.8未満のpHは死に至る可能性があるため、7.35から7.45の間のpHを維持することができます。

では、バッファはどのように機能するのでしょうか?バッファーは、基本的に弱酸または弱塩基とその共役塩基または酸が互いに平衡状態にあるものです。たとえば、酢酸と酢酸ナトリウムで作られたバッファーを考えてみましょう。緩衝液には弱酸とその共役塩が含まれており、弱酸が解離して共役塩基アセテートを形成します。酢酸のKAが共役塩基のKBよりも高いため、溶液は酸性です。

解離定数KA_またはKBBは、水中での化合物の解離の平衡定数であるため、それぞれ酸または塩基の強度を定義することを忘れないでください。解離定数は、pK_a、またはK_aの負の対数として表すこともでき、pK_aが小さいほど酸が強くなります。同じことがpK_bにも当てはまり、pK_bが小さいほど、ベースは強くなります。

アセテートバッファーに戻ると、水酸化ナトリウムのような強塩基を追加すると、水酸化物イオンは溶液中に存在するヒドロニウムイオンと反応します。これにより、より多くの酢酸が水と反応して平衡状態に戻り、より多くのヒドロニウムイオンが形成されます。塩酸のような強酸を加えると、溶液中により多くのヒドロニウムイオンが形成されます。これらのイオンは酢酸イオンと反応して、より多くの酢酸を形成します。どちらの場合も、溶液のpHにはほとんど変化がありません。

各バッファーには、溶液をバッファーできる特定のpH範囲があることに注意してください。ここでは、酢酸バッファーの滴定曲線を示します。バッファリング範囲が強調表示されます。この領域はヘンダーソン・ハッセルバルヒの式によって決定され、緩衝液のpHは弱酸のKAと共役塩基と弱酸の比によって決定されることがわかります。

このpHから遠く離れると、バッファーの弱酸または弱塩基が枯渇し、pHをバッファーできなくなります。したがって、アプリケーション用のバッファーを選択するときは、pK_aが目的のpHに近いものを選択してください。

最後に、すべてのバッファーには緩衝能力、つまりpHが大幅に変化する前にバッファー溶液に添加できる酸または塩基の量に制限があります。たとえば、酢酸と酢酸ナトリウムの緩衝液に酸を加えすぎると、すべての酢酸イオンがプロトン化され、ヒドロニウムイオンが大量に蓄積されるため、pHが低下します。

同様に、塩基を添加しすぎると、すべての酢酸が脱プロトン化され、水酸化物イオンが大量に蓄積されるため、pHが上昇します。したがって、緩衝能力は、弱酸塩と共役塩の濃度に影響されます。したがって、1モルのアセテートバッファーは、0.1モルのアセテートバッファーよりも高い緩衝能力を持っています。

このラボでは、さまざまなpH範囲のバッファーを調製し、検査します。次に、バッファーを使用して、ニュートラルレッドと呼ばれるpHインジケーターのpK_aを測定し、リボフラビン結合タンパク質が導入されたときのニュートラルレッドのpK_aの変化を調査します。