同じ量の酸を加えた二つの液で、一方のpHは大きく変わり、もう一方はあまり変わりませんでした。変わらなかった方には酸が入らなかったのでしょうか。液の中に、加えた酸や塩基による変化を小さくする働きがある場合があります。
このような働きを緩衝作用といいます。この記事では成分名や専門的な平衡式を暗記するのでなく、加えた量とpHの記録から、変化の小さい範囲と大きくなる範囲を読みます。以下の数字は比較のための架空実験表であり、特定の液の調合方法や実測値ではありません。
変化しにくいことと無制限は違う
少量の酸を受け止めてpHの変化を小さくできても、いくら加えても同じ値を保てるわけではありません。働きの限界を超えると変化が大きくなります。初めの二点だけから、ずっと横ばいの線を延ばさないことが大切です。
また、pHが少ししか変わらないから反応や物質の変化が全くないとは言えません。加えた酸は液の成分と関係し、見かけの数値の変化が抑えられています。水の量が増えたことや成分が変わったことと、pHの数字が近いことを区別します。
同じ一回分で比べる
二つの液へ加える酸の濃さや量が違えば、pH変化の大小だけで緩衝の働きを比較できません。もとの液量、加えた酸の濃さ、一回に加えた体積をそろえる必要があります。記録を読む前に、表の列が加えた合計量なのか、一回分なのかを確かめます。
同じ液でも、容器に入っている量が違えば、受け止められる酸の量が変わることがあります。大きな容器の方が変化しにくかったとしても、それを成分の違いと決めつけないようにします。比較のために変えた条件が一つになっているかを見ます。
例題1 変化の小さい液を選ぶ
酸の添加回数〇、一、二回で、液AのpHは七・〇、四・〇、三・〇、液Bは七・〇、六・八、六・六でした。液量と一回分の酸は同じです。この範囲でpHの変化が小さい液と、最初から二回後までの変化の大きさを答えてください。
答え・解説： 小さいのはBです。Aは七・〇－三・〇＝四・〇、Bは七・〇－六・六＝〇・四の低下です。ここで比べたのはpHという目盛りの変化幅です。四・〇が〇・四の十倍だから酸の量も十倍という意味にはなりません。酸の添加量は同じという条件です。
例題2 限界を表から読む
Bへさらに酸を加えると、三回後は六・四、四回後は四・五でした。どの追加でpHの低下が最も大きくなっていますか。
答え・解説： 三回後から四回後への追加で、六・四－四・五＝一・九低下しています。それ以前の一回あたり〇・二より大きく、変化を抑える範囲を越えたことを考える手掛かりになります。ただし正確な限界量が三回分と四回分の間のどこかは、この間隔の記録だけでは決まりません。
グラフの傾きが変わる所を探す
横軸を添加回数、縦軸をpHにすると、Bの線は初め緩やかに下がり、最後に急になります。最初の緩やかな傾きをずっと延ばせば四回後六・二と予想しますが、実際に与えられた値は四・五です。観察点を無視して、先に思いついた規則へ合わせないようにします。
限界付近を詳しく知りたいなら、その間の添加量を小さく刻んで記録する方法が考えられます。ただし測定を細かくしただけで、成分の種類まで分かるわけではありません。曲線から読み取る範囲の話と、液の化学的な中身を調べる話は別です。
初めの値が同じでも中身は同じではない
AもBも最初は七・〇ですが、その後の変わり方は違いました。一つの測定値が等しいから、液の成分や性質がすべて等しいとは言えません。何かを加えたときの応答を比べることで、初めの値だけでは見えなかった違いが分かります。
この考え方は、実験の対照を選ぶときにも役立ちます。比べたいのが添加への強さなら、初期値だけを合わせて満足せず、液量や温度、添加の条件もそろえます。今回の表から言える結論は「指定の範囲でBのpH変化が小さい」です。「Bは何を入れても変わらない」と一般化しない説明を目指しましょう。
初めの二点だけで比例と決めない
表を見たときに、0回から1回への低下が0.2なら、4回後も0.8だけ低下すると考えたくなります。しかし比例を使うには、その範囲で同じ増え方が続く条件が必要です。Bの4回後4.5という値は、同じ規則をそのまま延ばせないことを示しています。式の形を先に決めて記録を捨てるのでなく、記録が規則の適用範囲を教えてくれると考えます。
横軸を累計添加量にしたグラフなら、一回分を加えるごとに右へ同じ幅だけ進みます。縦軸の変化は各区間で引き算して求めます。0回と4回の差だけを計算すると、どの追加で急に変わったかが隠れるため、隣り合った二点の差も表の下に書き足してみましょう。
pHの目盛りは、水素イオンの量が同じだけ増えるごとに同じ幅で動く普通の比例目盛りではありません。今回の解答で扱うのはpHの数字の差であって、酸を中和した物質量の差ではありません。量を計算するための濃度や反応式が与えられていない以上、pH差の比から中和量の比まで求めることはできません。
反対に、同じ酸を同じ量ずつ加えたから、二つの液で同じpHになるはずだと考えるのも誤りです。加える前から入っていた成分が異なれば、添加への応答も異なります。対照実験とは初期状態のすべてが同一という意味ではなく、調べる条件以外を適切にそろえる考え方です。何を意図的に変えた比較なのか、表の注記まで読んで説明してください。