酸および塩基濃度

アレニウス酸は水に溶けると水素イオンを生成する物質で、塩基は水酸化物イオンを生成する物質です。水素イオンはすぐに水と反応してヒドロニウムイオンを形成しますが、簡単にするために、水素イオンと考え続けます。溶液中の水素イオンまたは水酸化物イオンの量に応じて、酸性または塩基性と見なされます。

酸性度や塩基性度は、水素イオンの濃度の負の対数として算出されるpHを用いて測定します。したがって、7未満のpH値は酸性であり、7を超えるpH値は塩基性です。pH 7は中性です。

酸と塩基は、pHとは異なる強度に基づいても比較されます。酸の強さは、水素イオンが共役塩基と呼ばれる陰イオンからどれだけ簡単に解離するかに関係しています。水酸化物イオンとその共役酸に関する塩基についても同じ考え方が成り立ちます。その強度には、酸解離定数(KA)を使用して値を割り当てることができます。

KAは、非解離酸と解離水素イオンおよび共役塩基の濃度を使用して定義されます。この関係は、単に K_a の負の対数である pK_a として表されることがよくあります。pK_aが小さいほど、酸は強くなります。

塩酸のような一部の酸はモノプロトン性であり、水素イオンを1つだけ解離できます。ポリプロトン酸は、リン酸と同様に、いくつかの水素イオンを解離させることができます。各解離には独自のpK_aがあります。

では、どうすればpK_aを決定できるのでしょうか?1つの方法は、酸塩基滴定を行うことです。滴定は、濃度不明の溶液に濃度が不明な溶液をゆっくりと加え、その間の反応を観察しながら行います。この場合、酸は中和反応で塩基と反応して塩と水を形成します。

したがって、酸中の水素イオンの濃度を測定したい場合は、酸が中和されるまで、既知の水酸化物イオン濃度を持つ強塩基で単純に滴定できます。滴定を正確に行うには、塩基を標準化する必要があります—つまり、正確な水酸化物イオン濃度がわかっていることを意味します。これは必ずしも簡単ではありません。

例えば、実験で使用するNaOHは吸湿性が高く、大気中の水分を吸収します。これは、NaOHに固体と溶液の両方で発生します。そのため、NaOH溶液の真の濃度は、予想よりも低い可能性があります。

NaOHの正確な濃度を決定するには、まず酸塩基滴定を行う必要があります。これを行うには、塩基を使用して既知の濃度で酸を滴定する必要があります。フタル酸水素カリウム(KHPは非吸湿性)であるため、その質量からその濃度を正確に計算できます。

滴定が完了した時期、つまり酸が中和された時期は、フェノールフタレインなどのpHインジケーターを使用して確認できます。フェノールフタレインは、約pH0からpH8の間で中性で無色です。

pHが上昇すると、2つの水素イオンが解離します。この陰イオンの形はピンクです。したがって、滴定を開始すると、KHP溶液は酸性で、フェノールフタレインは無色です。NaOHを添加し、水素イオンを中和すると、pHが上昇します。

この反応では、等量の酸と塩基が混合されている場合、溶液は中性です。その後、NaOHを少し加えるとpHが塩基性になり、溶液がピンク色に変わります。これはエンドポイントと呼ばれます。KHPのモル数とそれを中和するために使用されるNaOHの量がわかれば、塩基の正確な濃度を計算できます。

標準化された塩基が得られたら、pHを監視しながら、標準化された塩基で酸の既知の濃度を滴定することにより、酸のpK_aを決定できます。pHと添加された塩基の量のプロットは、滴定曲線と呼ばれます。曲線は通常、S字型またはシグモイド形状をたどり、曲線の最も急な部分の変曲点は等価点を示します。

ここでは、水酸化物イオンと解離水素イオンのモルは等しくなっています。pK_aと同様に、解離した水素イオンごとに1つの当量点が表示されます。したがって、モノプロトン酸には当量点が1つしかなく、トリプロトン酸には3つの当量点があります。

滴定を実行すると、pHインジケーターが無色からピンクにかろうじて変わるときに当量点を通過したことがわかります。これは滴定エンドポイントと呼ばれます。塩基を標準化する場合と同様に、これは溶液に水酸化物イオンがわずかに過剰にあるため、わずかに塩基性である場合です。

グラフ内の別の変曲点は、等価点の中間で発生します。ここでは、解離した酸と解離していない酸の濃度は等しくなります。したがって、この時点でのpHはpK_aに等しくなります。したがって、滴定を行い、当量点の体積を決定すると、この体積の半分のpHとして_pKaを計算できます。

このラボでは、まず塩基を標準化し、次にその標準化された塩基を使用して滴定を行い、ポリプロトン酸の 2 pK_a を測定します。