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未習者のための化学

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学習目標

  • 強酸を定義しなさい。
  • いくつかの強酸を挙げる。
  • 弱酸を定義する。
  • いくつかの弱酸を挙げる。
  • 酸のイオン化定数の式を書く。
  • 強塩基と弱塩基を定義する。
  • 強塩基と弱塩基の例を挙げる。
  • 塩基のイオン化定数の式を書く。
  • 酸と塩基のイオン化定数の計算を行う

強酸・弱酸と酸のイオン化定数（Ka）

ガラスはどのようにしてエッチングされるのか？

ガラスのエッチングは、ゆっくりと時間をかけて行うことで、美しい作品を生み出すことができます。 伝統的には、希薄なフッ化水素酸でガラスを処理し、その下のガラスを徐々に溶かしていきます。 エッチングしてはいけない部分は、ワックスなどの反応しないもので覆います。 最近では、二フッ化アンモニウムなども使われています。

ガラスのエッチングには希フッ化水素酸を使います

強酸・弱酸と酸のイオン化定数

酸は水の中でのイオン化を基準にして強酸と弱酸に分類されます。 強酸とは、水溶液中で完全にイオン化している酸のことです。

text{HCl}(g) rightarrow text{H}^+(aq) + text{Cl}^-(aq)

弱酸とは、水溶液中でわずかにイオン化する酸のことです。 酢酸（お酢に含まれる）は非常に一般的な弱酸です。

text{CH}_3text{COOH}(aq) rightleftarrows text{H}^+(aq) + text{CH}_3text{COO}^-(aq)

酢酸のイオン化は不完全なので、二重矢印で式を示しています。 弱酸のイオン化の程度は様々ですが、一般的には10％以下です。

弱酸は強酸と同様にイオン化してH +イオンと共役の塩基を生成します。 塩酸は強酸であるため、その共役塩基（Cl -）は非常に弱い。 塩化物イオンは、H +イオンを受け入れて再びHClになることができません。 一般的に、酸が強ければ強いほど、その共役塩基は弱くなります。 同様に、酸が弱ければ弱いほど、その共役塩基も強くなります。

td

r

d

酸とその共役塩基の相対的な強さ
酸 共役塩基
強酸
HCl (塩酸) (最強) Cl – (塩化物イオン) (最弱)
H 2 SO 4 (硫酸) HSO 4 – (硫酸水素イオン)
HNO 3 (硝酸) NO 3 – (硝酸イオン)
弱酸性
H 3 PO 4（リン酸） H 2 PO 4 – （リン酸二水素イオン）
CH 3 COOH（酢酸） CH 3 COO – （酢酸イオン）
H 2 CO 3（炭酸） H 2 CO 3（炭酸 HCO 3 – (炭酸水素イオン)
HCN (青酸) (最弱) CN – (青酸イオン) (最強)

強酸は溶液中で100%イオン化します。 弱酸はわずかにしかイオン化しません。 リン酸は酢酸よりも強いので、イオン化の度合いも大きいです。 酢酸は炭酸よりも強い、といった具合です。

酸のイオン化定数、Ka

一般的な弱酸であるHAのイオン化は次のように書くことができます。

text{HA}(aq) rightarrow text{H}^+ (aq) + text{A}^-(aq)

酸が弱いため、平衡式を書くことができます。 酸のイオン化定数(Ka)は、酸のイオン化の平衡定数です。

K_a=frac{}{}

酸のイオン化は、溶液中でイオン化した元の酸の割合を表しています。 したがって、Kaの数値は酸の強さを反映しています。 Kaの数値が相対的に高い弱酸は、Kaの数値が相対的に低い酸よりも強い。 強酸は基本的に100％イオン化しているので、分母の酸の濃度はほぼゼロとなり、Ka値は無限大に近づく。

下の表は、いくつかの酸の酸イオン化定数のリストです。

以下の表は、いくつかの酸のイオン化定数のリストです。ポリプロティック酸は、イオン化ステップごとに異なるイオン化定数を持ち、連続したイオン化定数は前のものより小さくなることに注意してください。

Acid Ionization Constants at 25°C
酸の名前 イオン化式 Kath
硫酸 H2SO4 ⇌ H+ + HSO4-

HSO4- ⇌ H+ + SO42-

非常に大きい

1.3 × 10-2
オキサール酸

H2C2O4 ⇌ H+ + HC2O4-

HC2O4- ⇌ H+ + C2O42-

6.5 × 10-2

6.1 × 10-5
リン酸

H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4-

H2PO4- ⇌ H+ + HPO42-

HPO42- ⇌ H+ + PO43-

7.5 × 10-3

6.2 × 10-8

4.8 × 10-13
フッ化水素酸 HF ⇌ H+ + F- 7.1 × 10-4
亜硝酸 HNO2 ⇌ H+ + NO2- 4.5 × 10-4
安息香酸 C6H5COOH ⇌ H+ + C6H5COO- 6.5 × 10-5
酢酸 CH3COOH ⇌H+ + CH3COO- 1.8 × 10-5
炭酸 H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-

HCO3- ⇌ H+ + CO32-

4.2 × 10-7

4.8 × 10-11
ヒドロシアン酸 HCN ⇌ H+ + CN- 4.9 × 10-10

強塩基・弱塩基と塩基イオン化定数(Kb)

何のためのアンモニア？

アンモニアは多くの用途がある弱塩基です

スペースシャトルに搭載されている複雑な電子機器や装置は、宇宙飛行士と同様に熱を発生します。 シャトルには、その熱を宇宙空間に放散するためのシステムが複雑に配置されています。 そのシステムのひとつが、シャトルの外側に設置されたアンモニアを含んだコイルの列です。 アンモニアが熱を吸収し、コイルの中を循環することで、熱を宇宙に放出するのです。

強塩基と弱塩基、塩基のイオン化定数Kb

酸と同様に、塩基もそのイオン化の程度によって強塩基と弱塩基に分かれます。 強塩基とは、水溶液中で完全にイオン化する塩基のことです。 最も一般的な強塩基は、水酸化カリウムのような可溶性の金属水酸化物化合物です。 金属水酸化物の中には、溶解性が低いという理由で、それほど強くないものもある。

弱塩基とは、水溶液中でわずかにしかイオン化しない塩基のことです。 塩基とは、他の物質から水素イオンを受け入れる物質と定義できます。 アンモニアのような弱い塩基が水に溶けると、水からH +イオンを受け入れ、水酸化物イオンと塩基の共役の酸であるアンモニウムイオンを形成します。

text{NH}_3(aq)+text{H}_2text{O}(l) rightleftarrows text{NH}^+_4(aq)+text{OH}^-(aq)

平衡は反応物に大きく有利であり、アンモニア分子のイオン化の程度は非常に小さい。

弱塩基と水の反応についても平衡式を書くことができます。 水の濃度は非常に大きく、ほぼ一定であるため、水は式に含まれません。 塩基イオン化定数(Kb)は、塩基がイオン化する際の平衡定数です。 アンモニアの場合、式は次のようになります。

K_b=frac{}{}

Kbの数値は塩基の強さを反映しています。 相対的にKbの値が高い弱い塩基は、相対的にKbの値が低い塩基よりも強くなります。 下の表は、いくつかの弱い塩基の塩基イオン化定数の一覧です。

25℃における塩基のイオン化定数
塩基の名前 イオン化の 式 Kb
メチルアミン CH3NH2 + H2O ⇌ CH3NH3+ + OH- 5.6 × 10-4
アンモニア NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- 1.8 × 10-5
ピリジン C5H5N + H2O ⇌ C5H5NH+ + OH- 1.7 × 10-9
アセテートイオン CH3COO- + H2O ⇌ CH3COOH + OH- 5.6 × 10-10
フッ化物イオン F- + H2O ⇌ HF + OH- 1.4 × 10-11
尿素 H2NCONH2 + H2O ⇌ H2CONH3+ + OH- 1.5×10-14

弱酸の共役塩基は強塩基でもあることに注意してください。

Calculating Ka and Kb

Who invented the pH meter?

pHメーターは、フロリダのオレンジ栽培者が果物の酸度をテストする方法を必要としていたことから発明されました。

ベックマンのビジネスは非常に成功し、その財産の多くを科学教育や研究のために使いました。

Calculating Ka and Kb

KaまたはKbの数値は、実験から求めることができます。 濃度がわかっている溶液を用意し、pHメーターと呼ばれる機器でpHを測定します。

pHメーターは、pHを迅速かつ正確に測定するために使用できます

図1。

サンプル問題：酸イオン化定数の計算

0.500Mのギ酸溶液を調製し、そのpHを測定すると2.04であった。

ステップ1：既知の値をリストアップし、問題を計画します。

既知

  • 初期値 = 0.500 M
  • pH = 2.04

未知

  • Ka = ?

まず、pHを用いて平衡状態を計算します。 平衡時のHCOOHとHCOO-の濃度を決定するために、ICE表を設定します。 その後、すべての濃度をKa式に代入し、Ka値を算出します。

ステップ2：解答。

=10^{-text{pH}}=10^{-2.04}=9.12回10^{-3} text{M}

イオン化したギ酸分子はそれぞれ1つのH +イオンと1つのギ酸イオン(HCOO -)を生成するので、H +とHCOO -の濃度は平衡状態では等しくなります。 それぞれのイオンの初期濃度が0であると仮定すると、以下のICE表になります。

濃度
初期値 0.500 0 0
変化 -9.12 × 10 -3 +9.12 × 10 -3 +9.12 × 10 -3
平衡 0.491 9.12 × 10 -3 9.12 × 10 -3

ここで、Kaの式に代入すると次のようになります。

K_a=frac{}{}=frac{(9.12 times 10^{-3})(9.12 times 10^{-3})}{0.491}=1.7 times 10^{-4}

ステップ3：結果について考える .

Kaの値は弱酸性の値と一致しています。 報告されたpHの小数点以下に2桁の数字があるので、答えには有効数字2桁が適切です。

塩基のKbを決定するために同様の手順を取ることができます。 例えば、弱い塩基であるエチルアミン（C2H5 NH2）の0.750M溶液のpHは12.31です。

text{C}_2text{H}_5text{NH}_2+ text{H}_2text{O} rightleftarrows text{C}_2text{H}_5text{NH}^+_3 + text{OH}^-

イオン化反応の生成物の一つが水酸化物イオンであることから、まず平衡状態を求める必要があります。 pOHは14 – 12.31 = 1.69です。 そして、10 -1.69 = 2.04 × 10 -2 MからTheを求め、ICE表を以下のように設定します。

濃度
初期値 0.750 0 0
変更 -2.04 × 10 -2 +2.04 × 10 -2 +2.04 × 10 -2
平衡 0.730 2.04 × 10 -2 2.04 × 10 -2

Kbの式に代入すると、エチルアミンのKbが得られます。

K_b=frac{}{}=frac{(2.04倍10^{-2})(2.04倍10^{-2})}{0.730}=5.7回10^{-4}

概要

  • 強酸と弱酸の定義
  • 酸のイオン化定数(Ka)の定義
  • 強塩基と弱塩基の定義
  • 塩基平衡定数の記載
  • KaとKbの計算方法の記載。

実習

強酸・弱酸と酸のイオン化定数(Ka)

以下のリンクの資料を読み、以下の質問に答えてください。

http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/acids.html

  1. なぜKaの式に因子が含まれていないのですか？
  2. H+と書いたとき、実際には何を指しているのでしょうか？
  3. メタノール酸とエタン酸では、どちらが弱い酸ですか？

強塩基・弱塩基と塩基のイオン化定数(Kb)

以下のリンク先の資料を読み、以下の質問に答えてください：

http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/bases.html

  1. 水酸化物イオンが存在する場合、水の解離を示す方程式の平衡はどちらにシフトしますか？
  2. 溶液中のアンモニアのうち、実際に水酸化物イオンを生成するのは何％ですか。
  3. 平衡の位置は弱塩基の強さにどのように関係しますか

Calculating Ka and Kb

以下のリンク先の資料を読み、以下の質問に答えてください：

http://www.ausetute.com.au/kb.html

  1. アレニウス塩基は何に解離しますか？
  2. ブレンステッド-ローリー塩基は水の中で何になるのですか？
  3. パーセントイオン化はどのようにして決まるのですか？

おさらい

強酸・弱酸と酸イオン化定数（Ka）

  1. なぜ塩化物イオンは最も弱い共役塩基なのか
  2. 0.
  3. HFと安息香酸ではどちらが強い酸ですか

強塩基・弱塩基と塩基イオン化定数(Kb)

  1. 強塩基を定義してください
  2. 弱塩基を定義してください。
  3. ピリジンと尿素ではどちらが強い塩基ですか

Calculating Ka and Kb

  1. イオン化定数の計算にはどのようなアプローチが用いられますか
  2. どのような初期の仮定がなされますか
  3. どのような方程式がありますか
  5. とは？
  6. どのような平衡の仮定がなされるのですか

用語集

  • 酸のイオン化定数 (K_a) : 酸がイオン化するときの平衡定数
  • 強酸。 水溶液中で完全にイオン化する酸。
  • 弱酸。 水溶液中でわずかにイオン化する酸。
  • 塩基のイオン化定数 (K_b) : 塩基のイオン化の平衡定数。
  • 強塩基。 水溶液中で完全にイオン化する塩基。
  • 弱塩基。 水溶液中でわずかにしかイオン化しない塩基。
  • pHメーター。 pHを正確に測定するための装置。
  1. Dominic Alves. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_Grand_Spiegeltent_-_Ballet_Dancer.jpg .
  2. Courtesy Jack Pfaller, NASA.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Space_Shuttle_main_engine_visual_inspection.jpg .
  3. User:Daderot/Wikimedia Commons. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beckman_Institute_-_UIUC_-_DSC09175.JPG .
  4. User:Datamax/Wikimedia Commons. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PH_Meter.jpg .

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