バッファの有用性
緩衝液は、化学研究、生物学研究、および産業で使用される最も重要なタイプの化学試薬の1つです。 それらの有用性は、主にpHの変化に抵抗する能力に由来します。 科学の授業で注意を払った場合、pHは溶液の酸性度の単位であることを思い出すかもしれません。 この議論の目的のために、酸性度は溶液中の水素イオン（H +）の濃度として定義することができます。 溶液の酸性度は、どの反応が起こるか、そしてどれだけ速く起こるかに影響します。 pHを制御する能力は、多数の化学反応を正常に完了するために重要であるため、緩衝液には膨大な数の用途があります。 ただし、最初に、バッファーソリューションがどのように機能するかを理解することが重要です。
酸と共役塩基
緩衝液は通常、酸とその共役塩基の組み合わせです。 上で学んだように、酸性度は溶液中のH +イオンの濃度として定義できます。 したがって、酸はH +イオンを溶液に放出する化合物です。 酸がH +の濃度を増加させると、反対の塩基である塩基がH +の濃度を減少させます。
酸がH +を失うと、共役塩基が生成されます。 これは、CH3COOH（酢酸）などの例を取り上げることで最もよく説明されます。 CH3COOHが酸として作用すると、H +とCH3COO-（酢酸塩）に解離します。 CH3COO-は、H +を受け入れて酢酸を生成できるため、塩基です。 したがって、それは酢酸の共役塩基、または酢酸がH +イオンを放出するときに生成される塩基です。 この概念は最初は複雑に見えますが、実際の反応で共役塩基を選択することは難しくありませんのでご安心ください。 それは本質的に、H +イオンが放出された後に酸に残っているものです。
ルシャトリエの原理とバッファー
化学反応は可逆的です。 上からの反応を例にとると、
CH3COOH> CH3COO-およびH +
CH3COO-とH +（生成物）が結合してCH3COOH（出発物質）を形成することがあります。これを「逆反応」と呼びます。 したがって、反応は右または左、順方向または逆方向に進行する可能性があります。 ルシャトリエの原理は、反応の左側と右側がそれらの間の特定のバランスまたは比率を好むことを示す規則です。 この場合、ルシャトリエの原理は基本的に、製品（H +またはアセテート）を追加すると、 反応は左（出発物質に向かって）にシフトし、出発物質（酢酸）は 応答。
同様に、より多くの製品が追加されると、より多くの出発物質が形成されます。 CH3COOHが形成されると、H +はCH3COO-と結合するときに溶液から除去されるため、溶液の酸性度は増加しません。 塩基が追加され、より多くのH +が放出され、溶液のpHが変化しない場合も、同じ一般原則が適用されます。 これは、緩衝液、または酸とその共役塩基の組み合わせがpHの変化に抵抗できる方法です。
緩衝液の応用
あなたの体は緩衝液を使って血中pHを7.35-7.45に維持し、また酵素が関与する膨大な数の生化学反応を起こします。 酵素は非常に複雑な化合物であり、適切に反応するために正確なpHレベルを必要とすることがよくあります。これは、体が生成する有機緩衝液によって満たされる役割です。 これと同じ理由で、研究室で実験を行う生物学者や化学者にとってバッファーは不可欠です。 研究中のプロセスが発生するためには、特定のpHが必要になることが多く、これらの条件を確保する唯一の方法は緩衝液です。
緩衝液も業界で広く使用されています。 緩衝液を必要とする工業プロセスには、発酵、染料プロセスの制御、医薬品の製造が含まれます。