今回の記事では、苦手な人が多い「緩衝液」について簡単に解説します。緩衝液は高校の授業でサラッと触れている割には出題率が高いので、ここでしっかり復習しましょう。
この記事を読んで以下のことを理解できればOKです↓↓
- 緩衝液とは何か説明できる
- 緩衝液の２パターンをどちらも理解できる↓↓
- 弱酸と弱酸の塩での緩衝液
- 弱塩基と弱塩基の塩での緩衝液
現段階では、理解できなくて大丈夫です。解説開始！
緩衝液の定義
まずは結論。緩衝液とはこのような水溶液のことを指します↓↓
少量の酸や塩基を加えても、pHがほとんど変化しない水溶液
難しいと思うかもしれませんが、「緩衝」液ですから、衝撃を緩めてくれる（変化するのを防いでくれる）ものがあるってだけです。
真面目に言うとこんな感じです↓（飛ばしても大丈夫です）
pHは[H⁺]と[OH⁻]で定義されていますよね。つまり、一般の水溶液では[H⁺]と[OH⁻]に変化が生じた場合、pHも変化が生じてしまいます。しかし、緩衝液の場合、pHを変化させる要因の酸と塩基を入れたはずなのに、pHがほぼ変化しないという不思議な性質を持っています。この不思議の性質については、ここで簡単に触れておくと、pHが変わってしまうのを、戦って防いでくれている物質がいることで成り立っています。
緩衝液これだけ！２パターンを押さえる！！
まずは結論。緩衝液の２パターンはこれです↓↓
①CH₃COOHとCH₃COONa（弱酸と弱酸の塩）のパターン
②NH₃とNH₄Cl（弱塩基と弱塩基の塩）のパターン
それぞれのパターンを見ていく前に緩衝液の鉄則を書いておきます。
①初期状態での緩衝液内の反応式を書く（平衡と電離）
②外からpHを変える要因を入れる⇒H(+)とOH(-)
③②と戦う物質を①の初期状態の中から見つける
④戦う反応式を書いて、pHが変化しないことを確認する
これから少し難しい話をしますが、絶対にこの鉄則で解説してますので、理解できなくなったらここに戻ってきてください。
では、それぞれパターンごとに見ていきましょう！！
①CH₃COOHとCH₃COONa（弱酸と弱酸の塩）のパターン
このパターンでの初期状態での緩衝液中の反応はこちら↓↓（鉄則①）
(1)CH₃COOH ⇆ CH₃COO(-) ＋ H(+) 平衡
(2)CH₃COONa → CH₃COO(-) ＋ Na(+) 完全電離
このパターンの緩衝液中の水溶液では(1),(2)がずっと起こっています。
(1)は、平衡なので、左右の物質がそれぞれある
(2)は、完全電離なので、CH₃COONaは存在しない。
ここまでが、外からの要因がなにもない初期の緩衝液の状態です。ここから、外から少量の酸or塩基を入れていきます。(鉄則②)
例えば、塩酸HClはH(+)にCl(-)が化合している物質です。硫酸H₂SO₄はH(+)にSO₄(2-)が化合している物質です。塩酸も硫酸も酸という共通の性質を持っているということは、酸を示す共通の物質があるということです。お互いの共通する物質はH(+)です。よって酸を示す物質はH(+)なので、緩衝液において考えれば良いのはH(+)だけで良いのです。⇒Cl(-)やSO₄(2-)を考える必要はない。塩基においても同様のことがいえるので、考えるのは塩基を示す物質ＯＨ(-)のみで良いのです。
反応で考えるのはH(+)とOH(-)のみ（他の物質は無視）
上記で述べた通り緩衝液の重要な性質はこれです↓
酸と塩基の性質を持った、H(+)、OH(-)を入れても、pHが変化しない
文章だけだと不思議ですよね。pHは、酸と塩基がどんくらいあるのかで決まる指標なのだから。
この文章を成立させるには、緩衝液内に外から入れたH(+)、OH(-)と、戦って、緩和してくれてる物質が存在すれば良いということです。
緩衝液内に外からの影響と戦ってくれる物質が存在するから、pHが変化しない。
初期状態の緩衝液の反応の中から、H(+)とOH(-)に挑む物質があります↓↓(鉄則③、④)
対 H(+)のとき、CH₃COO（-）が戦う。H(+)＋CH₃COO(-) → CH₃COOH
対 OH(-)のとき、CH₃COOHが戦う。CH₃COOH＋OH(-) → CH₃COO(-)＋H₂O
ここから見てわかるように、戦った結果CH₃COOHとCH₃COO(-)＋H₂Oができます。これらの物質は初期状態の緩衝液内にある物質です。ということで、最初にあった物質しか残らず、pHに影響を与えるH(+)とＯＨ(-)がいないので、たいして緩衝液内では、pHが変化しないのです。
※H₂Oは発生しても自分自身でH(+)とOH(-)を打ち消しています。
初期状態の反応式で、酸H(+),塩基OH(-)と戦う物質を再確認しましょう↓↓
(1)CH₃COOH ⇆ CH₃COO(-) ＋ H(+) 平衡
（塩基と戦う） (酸と戦う)
(2)CH₃COONa → CH₃COO(-) + Na(+) 完全電離
（酸と戦う）
このパターンでの物質はCH₃COOHとCH₃COONa以外は出題されません。だから、反対に、これらの物質が出題されたら、１回止まって、緩衝液の問題かな？と疑いましょう。
②NH₃とNH₄Cl（弱塩基と弱塩基の塩）のパターン
このパターンでの初期状態での緩衝液中の反応はこちら↓↓（鉄則①）
(1)NH₃ + H₂O ⇆ NH₄(+) ＋ OH(-) 平衡
(2)NH₄Cl → NH₄(+) + Cl(-) 完全電離
このパターンの緩衝液中の水溶液では(1),(2)がずっと起こっています
（１）は、平衡なので、左右の物質がそれぞれある
（２）は、完全電離なので、NH₄Clは存在しない。
ここまでが、外からの要因がなにもない初期の緩衝液の状態です。ここから、外から少量の酸or塩基を入れていきます。（鉄則②）
考え方は弱酸と弱酸の塩のパターンを全く同じです。
反応で考えるのはH(+)とOH(-)のみ（他の物質は無視）
緩衝液内に外からの影響と戦ってくれる物質が存在するから、pHが変化しない。
この2点を押さえてさっそく戦う反応を考えましょう。
初期状態の緩衝液の反応の中から、H(+),OH(-)に挑む物質があります↓↓（鉄則③、④）
対 H(+)のとき、NH₃が戦う。NH₃＋H(+) → NH₄(+)
対 OH(-)のとき、NH₄(+)が戦う。NH₄(+)＋OH(-)→NH₃＋H₂O
ここから見てわかるように戦った結果、NH₄(+),NH₃,H₂Oができます。これらの物質は初期状態の緩衝液内にある物質です。ということで、最初にあった物質しか残らず、pHに影響を与えるＨ(+)とOH(-)がいないので、たいして緩衝液内では、PHが変化しないのです。
※H₂Oは発生しても自分自身でH(+)とOH(-)を打ち消しています。
初期状態の反応式で、酸H(+),塩基OH(-)と戦う物質を再確認しましょう↓↓
(1)NH₃＋H₂O ⇆ NH₄(+)+ OH(-) 平衡
（酸と戦う） (塩基と戦う)
(2)NH₄Cl → NH₄(+) + Cl(-) 完全電離
（塩基と戦う）
このパターンでの物質は、NH₃とNH₄Cl以外は出題されません。だから反対に、これらの物質が出題されたら、１回止まって、緩衝液の問題かな？と疑いましょう。
緩衝液がおいしすぎる問題である理由
- ２パターンしかない
- どの問題でも、同じ物質しか出てこない
- 対策してる人少ない（授業で詳細にやらない）
以上です。今回は高校化学の緩衝液について扱いました。
あなたの化学の苦しみが緩むことを願って…
誤りがあれば、コメント指摘していただけると幸いです。修正します。
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