15.7
化合物の中には、溶解したときに水分子と反応して水酸化物イオンを生成するものがあります。いずれの場合も部分的にしか反応しないため、弱塩基に分類されます。また、これらの化合物は自然界に多く存在し、さまざまな技術において重要な物質となっています。例えば、弱塩基であるアンモニアの世界生産量は年間100トンを…
弱塩基は、アンモニアと同様に、水からプロトンを受け入れて水酸化物イオンを生成するブレンステッド塩基です。弱い塩基は、塩基解離定数Kb(アンモニアの1.76 × 10-5)に従って、部分的に水と反応します。
アンモニアのKbは、アンモニウムイオン濃度に水酸化物イオン濃度を掛けたものを平衡状態のアンモニア濃度で割った値として表すことができます。
Kbは、弱塩基溶液中の水酸化物イオン濃度、ひいては溶液のpOHおよびpHを測定するために使用できます。
0.23 Mのアンモニア溶液の水酸化物イオン濃度とpHは、塩基解離定数を使用し、アンモニア、アンモニアイオン、および水酸化物イオンの初期値と平衡値を含むICEテーブルを調製することで決定できます。
Kb 式の平衡濃度を代入すると、Kb は x x x を 0.23 から x を引いた値に等しくなります。弱塩基は部分的な解離を示すため、0.23 から x を引いた値は約 0.23 と考えられます。
方程式が解かれると、x は 2 × 10-3 M に等しくなります。
0.23からxを引いた近似値は0.23に等しく、水酸化物イオン濃度は0.23モルの0.86%にすぎないため、ここでは有効です。
この溶液のpHを計算するには、まず、水酸化物イオン濃度の負の対数(2.70に等しい)を使用してpOHを決定します。pHは、pHとpOHの合計が14に等しく、11.30と計算される式を使用して決定できます。
弱塩基溶液のKbは、弱塩基溶液のpHがわかっている場合に計算できます。
メチルアミンは、水中で部分的に解離してメチルアンモニウムイオンと水酸化物イオンに分解する弱塩基です。
メチルアミンのKbは、メチルアンモニウムイオン濃度に水酸化物イオン濃度を掛けたものを平衡状態のメチルアミン濃度で割った値として表すことができます。
pH 11.6の0.040 Mメチルアミン溶液のKbを計算するには、まずpOHを計算し、次にその水酸化物イオン濃度を計算する必要があります。pHが11.60であるため、pOHは2.40であり、その水酸化物イオン濃度は4.0×10-3です。
ICEテーブルは、メチルアミン、メチルアンモニウム、および水酸化物の初期濃度と平衡濃度から構築できます。
式中の平衡濃度をKbに代入すると、Kbの値は4.4 × 10−4になります。
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a weak base and how does it differ from a strong base?
A weak base is a Brønsted base that accepts a proton from water to produce hydroxide ions, but reacts only partially with water. Unlike strong bases that completely dissociate, weak bases establish an equilibrium between the molecular form and ionized products. Ammonia is a common example, with only about 1% of dissolved ammonia present as ammonium ions under typical conditions.
Q2: How is the base dissociation constant used to calculate hydroxide ion concentration?
The base dissociation constant (Kb) expresses the ratio of product concentrations to reactant concentration at equilibrium. For ammonia, Kb = 1.76 × 10⁻⁵. By constructing an ICE table with initial and equilibrium concentrations, you substitute values into the Kb expression to solve for hydroxide ion concentration, which then determines pOH and pH of the solution.
Q3: What is the ICE table method and why is it useful for weak base problems?
The ICE table tracks Initial, Change, and Equilibrium concentrations of all species in a weak base equilibrium. It organizes data systematically, showing how concentrations shift from initial values to equilibrium. This method simplifies substitution into the Kb expression and helps identify which concentrations to use when calculating hydroxide ion concentration and subsequent pH values.
Q4: How do you calculate pH from pOH in a weak base solution?
First, calculate pOH by taking the negative logarithm of hydroxide ion concentration. Then use the relationship pH + pOH = 14 to find pH. For example, a 0.23 M ammonia solution with hydroxide ion concentration of 2 × 10⁻³ M yields pOH of 2.70 and pH of 11.30, confirming the basic nature of the solution.
Q5: Can you determine Kb if you know the pH of a weak base solution?
Yes. Convert pH to pOH using pH + pOH = 14, then calculate hydroxide ion concentration from pOH. Construct an ICE table using the known initial concentration and calculated hydroxide ion concentration at equilibrium. Substitute these values into the Kb expression to solve for the base dissociation constant of the weak base.
Q6: Why is the approximation that x is negligible valid in weak base calculations?
Weak bases show partial dissociation, so the change in concentration (x) is typically very small compared to the initial concentration. The approximation is valid when x is less than 5% of the initial concentration. For ammonia, x = 2 × 10⁻³ M is only 0.86% of 0.23 M, justifying the simplification and making calculations manageable.
Q7: What are common applications of weak bases like ammonia?
Ammonia is produced globally in quantities exceeding 100 metric tons annually. It serves as an agricultural fertilizer, a raw material for chemical synthesis of other compounds, and an active ingredient in household cleaners. Its partial dissociation in water and resulting hydroxide ion production make it valuable across industrial, agricultural, and consumer applications.