酢酸緩衝液(酢酸バッファー)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、酢酸緩衝液（酢酸バッファー）の仕組みをご紹介します。

リン酸緩衝液の調製には
①酢酸ナトリウムCH₃COONa
②酢酸CH₃COOH
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、酢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

・酢酸緩衝液（酢酸バッファー）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。

酢酸ナトリウムCH₃COONaの構造式と特性

酢酸ナトリウムの分子式はCH₃COONaで表されます。
構造式は以下の通りです。

酢酸ナトリウムCH₃COONaは水に溶けると、Na⁺が電離することでCH₃COO^-となります。

さらに、このCH₃COO^-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。

酢酸ナトリウムCH₃COONaと酸の反応

ここで、このCH₃COO^-に酸（H⁺）を加えてみましょう。

すると以下の反応が起きます。

CH₃COO^-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。

しかしながら、これだけでは緩衝液として不十分です。

CH₃COO^-は、塩基を中和することができないからです。

試しに、CH₃COO^-に塩基（OH^-）を加えてみましょう。

はい！何も起こりません！

CH₃COO^-はOH^-と反応しませんので、
塩基を加えた分だけ、pHが塩基性（アルカリ性）に傾いてしまいます。

そこで、次に酢酸CH₃COOHの反応について見ていきましょう。 

酢酸CH₃COOHの構造式と特性

酢酸の分子式はCH₃COOHで表されます。
構造式は以下の通りです。

酢酸CH₃COOHは
酢酸ナトリウムCH₃COONa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。

（逆に、酢酸ナトリウムCH₃COONaは、酢酸CH₃COOHの共役塩基とも言うことができます。）

酢酸CH₃COOHは以下のようにH⁺を放出し、その水溶液は弱酸性を示します。

ただし、酢酸CH₃COOHは弱酸のため、多くはCH₃COOHの状態で存在しています。

酢酸CH₃COOHと塩基の反応

ではここで、CH₃COOHに塩基（OH^-）を加えてみましょう。

CH₃COOH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。

酢酸緩衝液(酢酸バッファー)の調製

では最後に、

①酢酸ナトリウムCH₃COONa　⇒　CH₃COO^-

②酢酸CH₃COOH　⇒　CH₃COOH

の両方が存在するように調製すれば、酢酸緩衝液（酢酸バッファー）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CH₃COOHはH⁺を放出しますが、塩基であるCH₃COO^-がH+を受け取ってしまいます。

共役酸であるCH₃COOHは「私ばっかり悪いから」と言って、H⁺を放出し、
塩基であるCH₃COO^-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CH₃COO^-は共役酸であるCH₃COOHになってしまっているので、またH⁺を放出し、CH₃COO^-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。

最後に、酢酸緩衝液（酢酸バッファー）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、酢酸緩衝液（酢酸バッファー）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。

酢酸緩衝液（酢酸バッファー）は、HPLC（高速液体クロマトグラフィー）での分析等に用いられることが多いです。

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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*1:

https://kotobank.jp/word/%E5%85%B1%E5%BD%B9%E9%85%B8-53081