16.5: 緩衝液の有効性

緩衝液は、pHを一定に保つ能力がずっと維持されるわけではありません。緩衝液がpHの変化に耐えられるかどうかは、共役系の弱酸・弱塩基ペアが十分存在するかどうかにかかっています。十分量の強酸または強塩基によって緩衝ペアのどちらかの濃度が大幅に低下すると、溶液内の緩衝作用が損なわれます。

緩衝能とは、一定量の緩衝液に酸や塩基を加えてもpHが大きく変化しない量のことで、通常は単位ごとに表されます。緩衝能は、緩衝液に含まれる弱酸とその共役塩基の量に依存します。例えば、1.0 Mの酢酸と1.0 Mの酢酸ナトリウムからなる溶液1 Lは、0.10 Mの酢酸と0.10 Mの酢酸ナトリウムからなる溶液1Lよりも、同じpHであっても緩衝能が高いです。前者の溶液の方がより多くの酢酸と酢酸イオンを含んでいるため、より大きな緩衝能を有しています。

適切な緩衝液の選択

緩衝液の混合物を選択する際には、2つの有用な経験則があります。

1. 良い緩衝液は、両成分の濃度がほぼ等しいです。緩衝液は、一方の成分が他方の成分の約10%未満である場合、一般的にその緩衝作用を失います。
2. pHが7以下の場合は弱酸とその塩、pHが7以上の場合は弱塩基とその塩が緩衝剤として適しています。

血液は緩衝液の重要な例であり、緩衝作用を担う主な酸とイオンは、炭酸（H₂CO₃）と炭酸水素イオン（HCO₃⁻）です。ヒドロニウムイオンが新たに血中に加わると、主にこの反応によって消費されます。

新たに加わった水酸化物イオンは、次の反応によって消費されます。:

このようにして、添加された強酸または強塩基は、緩衝剤ペアのはるかに弱い酸または塩基に変換されます（H₃O⁺はH₂CO₃に変換され、OH⁻はHCO₃⁻に変換される）。このようにして、ヒトの血液のpHは、緩衝剤ペアのpK_aによって決定される値、この場合は7.35に非常に近い値を維持しています。血液のpHの正常な変化は通常0.1以下であり、0.4以上のpHの変化は致命的であると考えられています。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 14.6: Buffers.

pH変化に抵抗する緩衝液の有効性は、弱酸とその共役塩基、または弱塩基とその共役酸の濃度比、およびそれらの絶対濃度によって異なります。

緩衝液範囲は、酸または塩基の添加によるpHの大幅な上昇または低下を阻害するpH範囲です。範囲は、pK_aより1単位高いか低いです。

したがって、効果的なバッファーであるためには、弱酸と塩基、または弱塩基と酸の比率は10〜1〜10である必要があります。

ヘンダーソン・ハッセルバルヒ方程式は、これらの値をサポートするために解くことができます。酸の濃度が塩基の10倍の場合、pHはpK_aより1単位低くなります。対照的に、塩基の濃度が酸の10倍の場合、pHはpK_aより1単位高くなります。

バッファーは、弱酸と共役塩基の濃度が等しく、pHがpK_aに等しい場合に、そのバッファー範囲の中央で最も効果的です。弱酸と塩基の量の差が大きくなると、バッファーの効果が低下します。

したがって、酢酸と酢酸をそれぞれ1モルずつ含む緩衝液Aは、0.1モル酢酸と1モル酢酸を含む緩衝液Bよりも効果が高くなります。

弱酸と塩基の絶対濃度も、バッファーの有効性を決定します。弱酸と弱塩基の濃度が高いほど、より強酸または塩基を中和できます。

したがって、ギ酸とギ酸をそれぞれ1モルずつ持つ緩衝液は、それぞれ0.1モルの緩衝液よりも効果的です。

バッファー容量は、pHが大幅に変化する前にバッファーが中和できる強酸または強塩基の量です。したがって、緩衝容量は、弱酸とその共役塩基の濃度が高い場合と、弱酸と塩基の比率が1に近づく場合の両方で増加します。