リン酸一ナトリウム・二水和物とリン酸二ナトリウム・十二水和物の緩衝液に
ついてなのですが、どのようにしてpHの変化が弱まるのかが良くわかりません。
わかりやすく教えてくださる方がいらしたらよろしくお願いします。

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A 回答 (5件)

みなさんが回答されてるので、一般的に・・・



分子XHが緩衝能を持つには、水溶液中でXHもX-もある程度安定する必要があります。
すると、水溶液中では

   XH <-> X- + H+ 

という平衡状態が存在することになります。この解離の程度は、X-(あるいはXH)の水溶液中での安定度合いに依ります。
これを表す量として、よく解離定数K=[X-][H+]/[XH]が用いられますね([A]はAの濃度を表す。活量は無視してます。)。

実は、この関係式が重要で、このKの式の対数(10を底)をとり、
pH=-log[H+]、pK=-logKとおくと、

   pH=pK+log[X-]/[XH]

という、有名な式になりますね(ヘンダーソン-ハッセルバルヒの式)。
これより、もし[X-]~[XH]という(両者の濃度がほぼ近い)状況になると

   pH~pK+log1=pK=一定

となります。この場合、酸あるいはアルカリの滴下によって[X-]と[XH]に少々差が生じても、効くのはlog[X-]/[XH]の値なので、結果的にpH変化が小さいことになります。
そしてまた、[X-]と[XH]の差が大きすぎると緩衝能がなくなるのもこれよりわかりますね。
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皆さんの回答の通りなんですが,思い切って簡略化した回答をしてみます。



まづ,水和している水は水溶液の緩衝作用には関係ありませんから,リン酸一ナトリウムとリン酸二ナトリウムの溶液について考えます。

この溶液のリン酸塩に関する平衡は H2PO4(-) ⇔ HPO4(2-) + H+ です。

ここで,この溶液中に酸性の物質(H+)を入れたとします。すると,上記の平衡が左へ移って新たに入ってきた H+ を消費してしまいます。この時,新たに入ってきた酸の量は緩衝液中のリン酸一ナトリウムやリン酸二ナトリウムの量に比べると微量ですので,それらの量にはほとんど変化がないと考えても構いません。

逆に,塩基性の物質が入ってきた時は,上記の平衡が右へ移ってその塩基を消費してしまいます。この場合も,上と同じ理由で緩衝液中のリン酸一ナトリウムやリン酸二ナトリウムの量はほとんど変化しないと考えても構いません。

この様に,緩衝液中のリン酸一ナトリウムやリン酸二ナトリウムが新たに入ってきた酸や塩基を消費してしまうため,ほとんど pH の変化が起こらないわけです。


なお,これはかなり簡略化した考え方ですので,研究や仕事の上で必要な知識でしたら,この程度の事は MiJun さん御指摘の成書か分析化学の教科書などで勉強された方が良いと思います。
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DENDEN_KEIさんの答えがほぼ正解ですね。

リン酸というのは、水素を三つ持っていて、それが全部水素イオンとなってpHを下げる事ができるのです。ところが、1個目の水素イオンは比較的外れ易いのですが、2個目、3個目となるに従って外れにくくなります。水素イオンが外れにくいということは、酸性が弱いことになります。
 さらに緩衝液に使われるリン酸一ナトリウムというのは、1個目の水素イオンがナトリウムになっているため、常に1個目が外れている形になります。ですから、残りの2個の水素イオンは外れにくい事になります。リン酸二ナトリウムというのは、2個分の水素イオンがナトリウムになっているため、さらに水素イオンが外れにくくなっています。ですから、酸性が非常に弱くなっているわけです。
 尚、2水和物、12水和物というのは、結晶の時に結晶内に水(結晶水)を持っている意味ですので、緩衝液のような水溶液になった場合は、関係ありません。固体のモル数から重量を計算する時だけ、気にする必要があるだけです。
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直接的な回答ではありませんが、「緩衝液」に関しては、


以下の成書が参考になります。
=================================
緩衝液の選択と応用 水素イオン・金属イオン  D.D.ペリン,B.デンプシー∥著  辻啓一∥訳
出版地 :東京
出版者 :講談社
出版年月:1981.1
資料形態:175p  21cm  2000円
原書名 :Buffers for pH and metal ion control.
件名  : 水素イオン/ 金属イオン
内容  : 文献:p166~170
=================================
良く纏まってますので。

ご参考まで。
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化学屋さんではないので詳しいことはわかりませんが。


緩衝液とは、pHが変化したときにそれを打ち消す方向に平衡移動が生じる、というものだったと思います。
たぶんpH変化にしたがい、電離しているNa+やりん酸イオンの濃度が変化するんだと思います。
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具体的な製法がわからず非常に困っています。

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Aベストアンサー

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Qリン酸を使った緩衝液とpHについて

(1)リン酸とリン酸一塩(とういのでしょうか?)を使ったリン酸緩衝液の理論上のpH計算は
pH = pKa + log {[H2PO4(-)] / [H3PO4]}
でよろしいのでしょうか?

(2)また[H(+)]を足したときは
pH = pKa + log {[H2PO4(-)] - [H(+)] / [H3PO4] + [H(+)]}
でよろしいのでしょうか?

(3)リン酸のpHの求め方は?
リン酸の解離度はα=0.27となっていたのですが、酢酸などの弱酸の解離の計算方法でよろしいのでしょうか?(二段目以降は無視してOK?)
[H(+)] = [H2PO4(-)] + [OH(-)] 電気的中立
(酸性なので [H(+)] = [H2PO4(-)] と仮定)・・・A
C = [H3PO4] + [H2PO4(-)] 質量収支
(Aを代入するが、弱酸で解離度が小さいのでC = [H3PO4]と仮定)・B

Ka = [H(+)][H2PO4(-)] / [H3PO4]
にA、Bに代入し計算 Ka = [H(+)]^2 / C
よりpHを求める

もちろん実験的にはpHメーターを使って調整した方がよいのでしょうが、pH4のリン酸緩衝液を作りたいのですが、理論も不確かで難航しています。
(4)もし、よろしければpH4のリン酸緩衝液の作り方・あるいはpH4くらいの他の緩衝液の作り方も教えていただければ幸いです。

(1)リン酸とリン酸一塩(とういのでしょうか?)を使ったリン酸緩衝液の理論上のpH計算は
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Aベストアンサー

一応補足しときます。

#1にも記したようにリン酸のpK1=2.12と比較的大きい為、
「近似ができない」のでそのまま2次方程式を解く事になります。

(1) [H3PO4]=a(M)、[H2PO4^-]=b(M)として水の解離によるH^+を無視すると、
[H^+][H2PO4^-]/[H3PO4]=[H^+](b+[H^+])/(a-[H^+])=K1
→ [H^+]^2+(b+K1)[H^+]-a*K1=0 を解きます。

(2) H^+=c(M)を加えると、H2PO4^- + H^+ → H3PO4 より、
[H3PO4]=a+c(M)、[H2PO4^-]=b-c(M)として水の解離によるH^+を同様に無視すると、
[H^+](b-c+[H^+])/(a+c-[H^+])=K1 → [H^+]^2+(b-c+K1)[H^+]-(a+c)K1=0

(3) K1>>K2より、[H^+]^2/(C-[H^+])=K1
→ [H^+]^2+K1[H^+]-CK1=0

また緩衝作用を持つ為の必要条件として、
1/10<(酸━塩基対の比)=[H2PO4^-]/[H3PO4]<10 があるので、
これより有効な緩衝溶液のpHは、pKa-1<pH<pKa+1程度になる事が分かります。
だからリン酸の3つのpKaから考えると、pH=4の有効な緩衝溶液の調整は無理だと言う事になります。

一応補足しときます。

#1にも記したようにリン酸のpK1=2.12と比較的大きい為、
「近似ができない」のでそのまま2次方程式を解く事になります。

(1) [H3PO4]=a(M)、[H2PO4^-]=b(M)として水の解離によるH^+を無視すると、
[H^+][H2PO4^-]/[H3PO4]=[H^+](b+[H^+])/(a-[H^+])=K1
→ [H^+]^2+(b+K1)[H^+]-a*K1=0 を解きます。

(2) H^+=c(M)を加えると、H2PO4^- + H^+ → H3PO4 より、
[H3PO4]=a+c(M)、[H2PO4^-]=b-c(M)として水の解離によるH^+を同様に無視すると、
[H^+](b-c+[H^+])/(a+c-[H^+])=K1 → [H^...続きを読む

Qリン酸緩衝液のpHの計算についての質問です。

リン酸緩衝液のpHの計算についての質問です。
リン酸ナトリウム緩衝液を作製して、その後に塩化カリウムを2Mを混ぜ合わせて、pH7の溶液を作製したいのですが、ヘンダーソン - ハッセルバルヒ式を使えば良いというのはわかったのですが、リン酸ナトリウム緩衝液中に塩化カリウムを混ぜ合わせる計算に混乱してしまいました。
緩衝液に詳しい方、計算方法を詳しく教えて頂けないでしょうか?

Aベストアンサー

#2 です.

> これはKClを2mol/lとC1を0.027mol/l C2=0.073mol/l入れればpH7のリン酸ナトリウム緩衝液+KCLの溶液になるのですか?

まあ,#2 で書いた近似の範囲では,計算としてはそうなるはず,ということです.
ただ,イオン強度補正も一番ラフな近似式ですし,これでどこまで現実を再現できるかはよくわかりません.

> 最近緩衝液を使う研究をはじめたばかりでして、

単純に使うという観点からすれば,イオン強度補正のことは計算できる必要もなくて,解離定数と緩衝域の関係と緩衝原理を理解し,どのようなレシピで作れば概略近い pH にできるかがわかっていれば十分でしょう.そこから先は,中途半端な計算をするより,実際に混合比を実験的に決めた方が確実だったり,楽だったりすることの方が多いです.

私は,中性近辺のリン酸緩衝液は,最初に目的 pH になる混合比を pH メータで測って決めておき,次の回からはその比になるように試薬を質量で測り取って作っています.というか,今は必要そうなものについては自作レシピがあるのでそれでやってます.もちろん,ときどきチェックのために pH を測りますが,ほぼ確実に±0.1以内になります.他の pH の緩衝液の時も,緩衝剤を変えるだけでやることは同じです.

#2 です.

> これはKClを2mol/lとC1を0.027mol/l C2=0.073mol/l入れればpH7のリン酸ナトリウム緩衝液+KCLの溶液になるのですか?

まあ,#2 で書いた近似の範囲では,計算としてはそうなるはず,ということです.
ただ,イオン強度補正も一番ラフな近似式ですし,これでどこまで現実を再現できるかはよくわかりません.

> 最近緩衝液を使う研究をはじめたばかりでして、

単純に使うという観点からすれば,イオン強度補正のことは計算できる必要もなくて,解離定数と緩衝域の関係と緩衝原理を理解し,...続きを読む


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