クエン酸緩衝液(クエン酸バッファー)の原理を解説

 こんにちは！

今回は、生命科学実験で代表的な緩衝液である、クエン酸緩衝液（クエン酸バッファー）の仕組みをご紹介します。

クエン酸緩衝液の調製には
①クエン酸C₆H₈O₇
②クエン酸三ナトリウムC₆H₅Na₃O₇
の二つを用いますが、
緩衝作用のメイン分子は
③C₆H₇O₇^-
④C₆H₆O₇^2-
の二つになります。

③C₆H₇O₇^-と④C₆H₆O₇^2-の特性を理解できれば、クエン酸緩衝液の原理はバッチリです！

この記事を読んでほしい人：

・生命科学実験を始めた、始める予定の人

・緩衝液の原理を知りたい人

・クエン酸緩衝液（クエン酸バッファー）を使用している人

 ※画像はイメージです。本文の内容を反映しているものではありません 。

緩衝液とは何か

緩衝液とは、外から酸や塩基を加えても、
pHが変化しにくい溶液のことです。

例えば、純水に強酸であるHClや強塩基であるNaOHを加えると、あっという間にpHが傾いてしまいますが、緩衝液中ではpHがほぼ一定に保たれます。

緩衝液の働きにより、目的の成分や試薬を加えても、pHを変化させずに実験が行えるようになります。

緩衝液は、それ自体が実験の対象になるものではなく、溶媒や希釈液として用いられることが多いものです。

クエン酸C₆H₈O₇の構造式と特性

まずはクエン酸について見ていきましょう。

クエン酸の分子式はC₆H₈O₇で表されます。
構造式は以下の通りです。

3つのカルボキシル基（-COOH）を持つクエン酸C₆H₈O₇は、水に溶けると以下のようにH⁺を放出し、その水溶液は弱酸性を示します。

クエン酸C₆H₈O₇は
H⁺を与える構造（酸としての性質）があるため、
塩基（OH^-）を中和することはできますが、
H⁺を受け取る構造（塩基としての性質）がないため、
酸（H⁺）を中和することはできません。

クエン酸三ナトリウムC₆H₅Na₃O₇の構造式と特性

次にクエン酸三ナトリウムについて見ていきましょう。

クエン酸三ナトリウムの分子式はC₆H₅Na₃O₇で表されます。

構造式は以下の通りです。

C₆H₅Na₃O₇は水に溶けると、3つのNa⁺が電離することでC₆H₅O^3-となります。

さらに、このC₆H₅O^3-が以下のように3つのH⁺を受け取り、3つのOH^-が生成されることで、その水溶液は強塩基性を示します。

先ほどとは反対に、C₆H₅O^3-は
H⁺を受け取る構造（塩基としての性質）があるため、
酸（H⁺）を中和することができますが、
H⁺を与える構造（酸としての性質）はないため、
塩基（OH^-）を中和することはできません。

では、この二つの性質を組み合わせて、酸も塩基もどちらも中和できる溶液を作っていきましょう！！

クエン酸緩衝液(クエン酸バッファー)の調製

クエン酸緩衝液を調製してみましょう。

①クエン酸C₆H₈O₇

②クエン酸三ナトリウムC₆H₅Na₃O₇　⇒　C₆H₅O^3-

の両方を混ぜ合わせれば、クエン酸緩衝液（クエン酸バッファー）が出来上がります。

この二つを混合させたとき、弱酸であるC₆H₈O₇がH⁺を放出し、強塩基であるC₆H₅O^3-はH⁺を受け取ります。

その結果、③C₆H₇O₇^-と④C₆H₆O₇^2-の2つが生成されます。

C₆H₈O₇　⇒　C₆H₇O₇^-

C₆H₅O^3-　⇒　C₆H₆O₇^2-

少しややこしくなってきましたが、C₆H₇O₇^-とC₆H₆O₇^2-に着目してください。

（上図の一番下の二つの構造式）

このとき、二つの構造式を見て気が付くことはありますか？

そうです。

この二つの混合溶液中ではH+を受け取る構造と、H+を与える構造が共存しているのです。

では最後に、クエン酸緩衝液と酸・塩基との反応を見ていきましょう。

補足：クエン酸にはカルボキシル基が3つあり、それぞれランダムに反応します。そのため、色んな組み合わせの分子が出来上がります。ただし、今回示したクエン酸の構造式の右側と左側のカルボキシル基は、ひっくり返せば同じものなので、見かけ上は、これらが反応することが多いように見えます。

クエン酸緩衝液(クエン酸バッファー)と酸の反応

ではここで、この溶液に酸（H⁺）を加えてみましょう。

C₆H₆O₇^2-がH⁺を受け取ってしまうため、溶液全体としてはpHが変化していませんね！

酸に対して、緩衝能を有しています。

クエン酸緩衝液(クエン酸バッファー)と塩基の反応

次に、この溶液に塩基（OH^-）を加えてみましょう。

すると以下の反応が起きます。

C₆H₇O₇^-がH⁺を放出し、OH^-を中和してくれましたね！

塩基に対して、緩衝能を有しています。

これで、酸（H⁺）と塩基（OH^-）のどちらを加えても、pHが変化しなくなりましたね！！

まとめ

今回は、リン酸緩衝液（リン酸バッファー）の原理についてご紹介しました。

いかがでしたか？

大学で生命科学実験を始めると、必ず登場する緩衝液。

肝になる部分は、「H⁺を受け取る構造と、H⁺を与える構造が共存している」という状態です。

本記事が少しでも参考になれば幸いです。

皆さんの実験が上手くいきますように。

本日もお読みいただき、ありがとうございました！ ＼(^o^)／

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