緩衝剤とは？

酸塩基化学では、緩衝剤は溶液を一定のpHまたは酸性度-アルカリ度のレベルに維持するために使用できる物質です。 水溶液中の酸はヒドロニウム（H ₃ O ⁺ ）イオンを提供し、アルカリは水酸化物（OH-）イオンを提供します。 溶液のpHは、これらのイオンの相対濃度の尺度です。 緩衝剤を含む溶液は、H ₃ O ⁺ / OH-比を変更せずに酸または塩基を添加すると導入される追加のヒドロニウムまたは水酸化物イオンをある程度まで吸収できるため、pHは変化しません。 。 天然に存在する緩衝液は生物学的システムに見られ、緩衝剤には化学および産業で多くの用途があります。

酸が水に溶けると、それは（程度の差はあれ）H +イオンと負に帯電した陰イオンにイオン化します。 H ⁺イオンは水と結合してヒドロニウムイオン（H ₃ O ⁺ ）を形成し、負の陰イオンは共役塩基として知られています。 たとえば、塩酸水溶液はヒドロニウムイオンを形成し、共役塩基は塩化物イオンです：HCl + H ₂ O→ H ₃ O ⁺ + Cl-。 共役塩基はヒドロニウムイオンと反応して酸を再形成できますが、この場合、塩化物イオンは弱塩基であるため、水中の塩酸はほぼ完全にヒドロキソニウムイオンと塩化物イオンで構成され、強酸になります。 ただし、弱酸では、共役塩基がより強く、したがってヒドロニウムイオンの濃度がより低いため、逆反応が顕著になります。

弱酸の塩とそれが由来する酸を含む混合物は、しばしば酸性緩衝剤として使用できます。 塩は、酸の共役塩基の豊富な供給を保証します。 強酸とその塩は緩衝剤としては有用ではありません。酸性緩衝剤は非イオン化状態で大量の酸が存在する必要があり、pHはいずれにしても中性付近に維持する必要があるためです適度に酸性またはアルカリ性の値のみ。 同様に、アルカリ性緩衝剤には通常、アルカリ自体とともに弱アルカリの塩が含まれます。

酸性緩衝液の簡単な例は、酢酸と酢酸ナトリウムの水溶液です。 酢酸は弱酸なので、ほとんどはイオン化されません。 酸を加えると、追加のヒドロニウムイオンは酢酸ナトリウムからの酢酸イオンと反応し、より多くの酢酸を形成します。酢酸はほとんどイオン化されないため、pHに大きな影響はありません。 アルカリを添加すると、追加の水酸化物（OH-）イオンが酢酸と反応して酢酸イオンと水を形成し、少量のヒドロニウムイオンと反応してより多くの水を形成しますが、pHにはほとんど影響しません。

生物は多くの役割で緩衝剤を使用しています。 たとえば、血液のpHは7.4に近い値に保つ必要があります。これは、中性のわずかにアルカリ側です。 摂取する食物からさまざまな酸性度とアルカリ度の多種多様な化学物質が血流に入る可能性があるため、この値を維持するために緩衝剤が必要です。 これは、炭酸（H ₂ CO ₃ ）イオンと炭酸水素（HCO _3- ）イオンの組み合わせによって達成されます。

緩衝剤は、業界および多くの一般的な製品で広く使用されています。 これらは、pHが発酵の原因となる酵母が必要とする範囲内に収まるように、洗剤、食品、醸造に使用されます。 シャンプーは、わずかに酸性で、使用中の酸性度の低下を防ぐための緩衝剤を含む場合に最適に機能します。 緩衝液は、生物学および生化学でも多く使用されています。 NE Goodによって1960年代に開発されたGoodの緩衝液は、生物学的反応を妨げないように慎重に設計された緩衝剤のグループです。