酸および塩基濃度

酸と塩基

アレニウス酸は、水に溶解すると水素イオンを生成します。

HA + H₂O → H⁺_(aq) + A^-_(aq)

ここで、HAは非解離酸、H⁺は水素カチオン、A^-は共和性陰イオン(共役塩基と呼ばれます)です。アレニウス塩基は、水に溶解すると水酸化物イオンを生成します。

BOH + H₂O → B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

ここで、BOHは非解離塩基、^OH-は水酸化物イオン、B⁺は共和型カチオン(共役酸と呼ばれます)です。共役塩基は、酸が水素イオンを失い、水素を得る可能性があるときに形成されます。共役酸についても同じことが言え、塩基がヒドロキシル基を失い、それを取り戻す可能性があるときに形成されます。すべての酸には共役塩基があり、すべての塩基には共役酸があります。

pH

pHは溶液の酸性度であり、溶液中の水素イオンの量の尺度です。pHスケールは対数で、0から14まで実行されます。pH 7未満の水溶液は酸性と説明され、pH 7を超える水溶液はアルカリ性または塩基性と呼ばれます。pH 7の溶液は中性と見なされます。

溶液のpHは、溶液中の水素イオン濃度の負の対数塩基10に等しくなります。

水は、その強い正電荷が周囲の水分子の負極を引き付けるため、水素イオンと強く相互作用します。実際、それらは非常に強く相互作用するため、共有結合とヒドロニウムと呼ばれるH₃O ⁺カチオンを形成します。これを反映するために、上記の式を書き換えます。

簡単にするために、pHについて説明するときには、ヒドロニウムイオンの代わりに水素イオンの濃度を参照します。溶液のpH値が低いほど、存在する水素イオンが多くなり、ひいては溶液の酸性度が高くなります。たとえば、硫酸の 1 mM の pH は 2.75 ですが、塩酸 1 mM の pH は 3.01 です。硫酸溶液中の水素イオンの濃度は1×^10-2.75と計算されますが、塩酸溶液中の水素イオンの濃度は1×^10-3.01です。したがって、硫酸にはより多くの水素イオンが存在し、より酸性です。2つの溶液のpHがpH値の半分程度しか変化しない場合でも、pHスケールの対数的な性質により、水素の量は大きく異なることを忘れないでください。

酸と塩基の強度

酸の強度は、共役塩基の電気陰性度と酸性水素の極性に影響されます。したがって、強度とは、水素カチオン(H⁺)が陰イオンからどれだけ容易に解離するかを指します。強酸と強塩基は水溶液中で完全に解離しますが、弱酸と弱塩基は部分的にのみ結合イオンに解離します。

解離定数 K_a は酸の強さを表します。_KAは、非解離酸HAの濃度と、水素カチオンと共役塩基A^-の濃度を用いて計算されます。K_a値が高いほど強い酸を表し、K_a値が小さいほど弱い酸を表します。

K_a は数値的に非常に小さく、K_a の負の対数基数 10 である pK_a の形で報告されることがよくあります。pK_aの値が低いほど強い酸に対応し、pK_aの値が高いほど弱い酸に対応します。

一部の酸は1つの水素イオンのみを解離するため、_1pKあたり1つの値を持ちます。これらの酸はモノプロティックと呼ばれます。ただし、一部の酸は複数の水素イオンを解離させる可能性があり、ポリプロティックと呼ばれます。これらの酸は、水素イオンの解離ごとに_pKa値を持っています。

pK_aは、ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式に示すように、酸塩基反応の平衡pHを計算するためにも使用できます。

ヘンダーソン・ハッセルバルヒ方程式は、共役塩基と弱酸の濃度がわかっている場合にpHを計算するために、またはpHと濃度がわかっている場合にpK_aを計算するために使用されます。

滴 定

酸塩基反応は、滴定を使用して定量的に研究されます。滴定実験では、標準溶液と呼ばれる既知の濃度の溶液を使用して、別の溶液の濃度を決定します。酸塩基滴定では、標準化された塩基溶液を未知の濃度の酸にゆっくりと添加します(または酸を塩基に添加します)。酸塩基反応は中和反応であり、塩と水を形成します。酸中の水素イオンのモルが塩基から添加されたヒドロキシルイオンのモルと等しい場合、溶液は中性のpHに達します。

酸塩基滴定を行うには、標準化された塩基をビュレットを使用して未知の酸の攪拌フラスコにゆっくりと添加し、体積の測定と塩基の滴下添加を可能にします。溶液のpHは、酸に添加されたpH指示薬を使用して、滴定全体を通して綿密に監視されます。通常、フェノールフタレインは、溶液が塩基性になり、淡いピンク色に変わるまで無色のままであるため、使用されます。

滴定が当量点(水素イオンのモルが添加されたヒドロキシルイオンのモルと等しくなる)に近づくと、ヒドロキシルイオンが過剰になるため、pHインジケーターの色が一時的に変化します。フラスコを回転させると、pHインジケーターの酸性色に戻ります。滴定は完了し、わずかな過剰のヒドロキシルイオンがインジケーターを恒久的に基本色に変化させたときに終了点に達します。

滴定曲線は、溶液のpHと標準化された塩基の添加量をプロットしたものです。等価点は曲線の変曲点に位置し、滴定曲線の 2 次導関数として計算されます。

酸がポリプロティックの場合、水素イオンの解離ごとに1つずつ、複数の当量点があります。モノプロトン酸の場合は当量点までの中間点、またはポリプロトン酸の場合は当量点間のpHは、酸のpK_aに等しくなります。

参照

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012).化学および化学反応性。カリフォルニア州ベルモント:ブルックス/コール、Cengage Learning。
2. Silberberg, M.S. (2009).化学:物質と変化の分子的性質。マサチューセッツ州ボストン:マグロウヒル。
3. ハリス、ワシントンD.C.(2015年)。定量的化学分析。ニューヨーク州ニューヨーク:WHフリーマンアンドカンパニー。

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、つまり K_a を使用して値を割り当てることができます。

K_a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。各分離には独自の pK_a があります。

では、pK_a はどのように判断すればよいのでしょうか?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、当量点体積を決定すると、この体積の半分のpHとしてpK_a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。