緩衝液 buffer について

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6-14-2017 updated


酸・塩基と pKa に関連するページは,次の順に読むことをお勧めします。

  1. 質量作用の法則と平衡定数
  2. 酸と塩基の定義
  3. 水のイオン積と pH
  4. 解離定数
  5. このページ: 緩衝液について

このページの目次

  1. 概要: 緩衝液 buffer とは
  2. pKa と緩衝能

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概要: 緩衝液 buffer とは

多くの生物では,細胞や血液の pH は弱アルカリ性 (7.3 前後) に保たれている。そのため,たとえば酵素の活性を測りたい場合などには,これに近い pH 条件下で実験を行う必要がある (生理的条件という)。さらに,いろいろな試薬を加えても pH があまり変化しないことが望ましい。このような実験の際に 緩衝液 buffer が使われる。

緩衝液とは,弱酸とその共役塩基との混合溶液で,酸や塩基を加えても pH があまり変化しないような性質をもつもののことをいう (1)。ただし,実際に弱酸とその共役塩基が水溶液中に存在していればが緩衝能は発揮される。緩衝液を作るときに,実際に酸と塩基を混ぜなければいけないわけではなく,例えば リン酸カリウム緩衝液 は塩を溶かすだけで作ることができる。


実例

酢酸溶液を例にすると,pH が変わりにくい理由は以下のように説明される。酢酸 CH3COOH は,溶液中では CH3COO- および H+ に電離している。これを式で表すと

CH3COOH ⇌ CH3COO- + H+

この反応の平衡定数 Ka は,

Ka


であり,この式を変形して 対数 をとると

pH

となる。なお,ここで対数をとっているのは,pKa が 0.000001 などと非常に小さい値になるためである。

したがって,酢酸と酢酸イオンの量比が 10 倍変わったときに pH が 1 変化する。つまり,酢酸と酢酸イオンが平衡状態を保っているため,酸や塩基を加えても pH が変化しにくい状態になっている。これが緩衝液である。

この式は Henderson-Hasselbalch equation として知られている。緩衝能に関係する別の表現を下に挙げておく。

  • 緩衝液に酸を加えると,H+ は CH3COO- と反応して酢酸 CH3COOH を作る。そのため H+ 濃度である pH が変化しにくい。水に同じ量の酸を加えた場合,H+ は直接 pH を下げることになる。
  • 溶液に塩基を加えると,OH- は H+ と結合して水分子を形成し,そのため pH は下がる。しかし緩衝液の場合,平衡定数 equilibrium constant を一定にするために減った分の H+ が酢酸から供給されるため,pH は下がりにくい。

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pKa と緩衝能

pH を一定に保とうとする作用を緩衝作用,その作用を表す尺度を緩衝能といい,緩衝能は化合物の pKa が溶液の pH と等しい時に最大となる。したがって,セットしたい pH によって使う緩衝液の種類を変えなければならない。

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References

  1. LC Technical Report 緩衝液について. Web pdf.