炭酸塩-重炭酸緩衝液の原理を解説

こんにちは！

今回は、生命科学実験で用いられる、炭酸塩-重炭酸緩衝液（carbonate-bicarbonate buffer：CO₃^2- - HCO₃^-）の仕組みをご紹介します。

炭酸塩-重炭酸緩衝液（炭酸塩-重炭酸バッファー）の調製には
①炭酸ナトリウムNa₂CO₃
（Sodium carbonate）
②炭酸水素ナトリウムNaHCO₃
（Sodium bicarbonate：Sodium hydrogen carbonate）
の二つが登場します。

似ているようで違うこの二つの特性を理解できれば、炭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

・炭酸塩-重炭酸緩衝液（carbonate-bicarbonate buffer）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。

炭酸塩：炭酸ナトリウムNa₂CO₃の構造式と特性

まずは炭酸ナトリウムについて見ていきましょう。

炭酸ナトリウムの分子式はNa₂CO₃で表されます。
構造式は以下の通りです。

炭酸ナトリウムNa₂CO₃は水に溶けると、2つのNa⁺が電離することでCO₃^2-となります。

さらに、このCO₃^2-が以下のようにH⁺を受け取り、OH^-が生成されることで、その水溶液は塩基性を示します。（酸を中和できる、塩基としての働きがある）

次に炭酸水素ナトリウムNaHCO₃の反応について見ていきましょう。 

重炭酸塩：炭酸水素ナトリウムNaHCO₃の構造式と特性

炭酸水素ナトリウムの分子式はNaHCO₃で表されます。
構造式は以下の通りです。

炭酸水素ナトリウムNaHCO₃は
炭酸ナトリウムNa₂CO₃の共役酸です。

共役酸とは、ある物質がH⁺を受け取った状態のことです。*1

 ※例えば、アンモニアNH₃の共役酸はアンモニウムイオンNH₄⁺になります。

炭酸水素ナトリウムNaHCO₃は水に溶けると、Na⁺が電離することでHCO₃^-となります。

①HCO₃^-は、中性付近の水溶液中では、以下のようにH⁺受け取り、その水溶液は塩基性を示します。

②ただし、塩基性条件下では、下記2番目の反応式のようにH⁺を放出し、塩基に対して緩衝作用を示します。（塩基を中和できる、酸としての働きがある）

炭酸塩-重炭酸緩衝液の調製

では最後に、

①炭酸ナトリウムNa₂CO₃　⇒　CO₃^2-
（Sodium carbonate）
②炭酸水素ナトリウムNaHCO₃　⇒　HCO₃^-
（Sodium bicarbonate：Sodium hydrogen carbonate）

の両方が存在するように調製すれば、炭酸塩-重炭酸緩衝液（carbonate-bicarbonate buffer）の出来上がりです！！

この二つが混在しているとき、共役酸であるHCO₃^-はH⁺を放出しますが、塩基であるCO₃^2-がH+を受け取ってしまいます。

共役酸であるHCO₃^-は「私ばっかり悪いから」と言って、H⁺を放出し、
塩基であるCO₃^2-は「誰も取らないなら」と言って、H⁺を受けとります。

ところが、H⁺を受け取ったCO₃^2-は共役酸であるHCO₃^-になってしまっているので、またH⁺を放出し、CO₃^2-がそれを受け取る、
というサイクルがグルグル繰り返されて、
平衡状態が成り立ちます。

ポイントは、この溶液中ではH+を受け取る構造と、H+を与える構造が共存しているというところです。

最後に、炭酸塩-重炭酸緩衝液（carbonate-bicarbonate buffer）に
①酸を加えるパターン
②塩基を加えるパターン
の反応を見てみましょう。

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、炭酸塩-重炭酸緩衝液（carbonate-bicarbonate buffer）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。

補足：今回ご紹介した緩衝液は、ヒトの血液中のpHを7.4付近に保つ役割を担っている重炭酸緩衝系とは少し異なります。
重炭酸緩衝系は炭酸-重炭酸（carbonic acid-bicarbonate：CO₂ - HCO₃^-）の緩衝作用になります。

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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*1:

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