化学工学における緩衝液とpH計算の基本：実例と解説

化学工学や分析化学において、緩衝液のpH計算は非常に重要なプロセスです。本記事では、化学反応におけるpHの計算方法や、緩衝液の作成に関する問題を解説します。以下に示す問題の計算方法を通して、pHの計算に必要な知識を深めましょう。

1. 酢酸水溶液と酢酸ナトリウム水溶液の緩衝液pH計算

問題：0.040 mol/L酢酸水溶液と0.040 mol/L酢酸ナトリウム水溶液を容積比3:2で混合した場合の緩衝液のpHを計算します。

このような問題は、ハンダの式を使用して解くことができます。酢酸のpKa値が4.5であることから、酢酸と酢酸ナトリウムの比率に基づいて緩衝液のpHを計算することができます。

次に、弱塩基酸（Ka = 5.0×10-5 mol/L）の0.50 mol/L水溶液と0.50 mol/L水酸化ナトリウム水溶液を2:1の割合で混合した際のpHを計算する問題を見ていきます。

この場合、酸と塩基が中和反応を起こすため、その反応後に残る酸または塩基の濃度を元にpHを計算する必要があります。具体的には、強酸と強塩基が完全に反応した後、残存する弱酸または弱塩基のpHを求めます。

3.0×10-2 mol/Lの酢酸水溶液と5.4×10-2 mol/Lの酢酸ナトリウム水溶液からなる緩衝液のpHを計算します。酢酸のKa = 1.8×10-5 mol/Lです。

この問題もハンダの式を使用して、酢酸とその塩の比率から緩衝液のpHを計算できます。pHは、酢酸と酢酸ナトリウムのモル比に基づいて決定され、計算を通じて求めることができます。

次に、弱酸（Ka = 5.0×10-4 mol/L）の0.02 mol/L水溶液を1000倍に希釈した後のpHを求めます。水のイオン積はKw = 10^-14 mol²/L²、10g2 = 0.30が与えられています。

この場合、酸の解離とその水溶液におけるpHの変化を計算する必要があります。希釈によって酸の濃度が減少し、pHがどのように変化するのかを求めることがポイントです。

pKa = 4の弱酸性薬物が、pH 3およびpH 6の水溶液においてどのように分子形とイオン形に分かれるかを計算します。この問題では、酸の解離平衡を考慮し、pHに応じた分子形とイオン形の比率を求めます。

具体的には、Henderson-Hasselbalchの式を使用して、与えられたpHとpKaを元に、分子形とイオン形のモル比を計算します。

これらの問題では、緩衝液のpH計算や酸と塩基の反応を理解することが求められます。化学的な平衡や酸塩基反応の理解を深め、様々なタイプの計算を通じて、化学工学や化学分析に必要な知識を身につけましょう。