15.10

塩水溶液のpHの決定

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塩溶液は、酸性、塩基性、または中性にすることができます。個々のイオンを調べて、その溶液のpHが7未満、7以上、または等しいかどうかを判断できます。

pH 中性の陽イオンと陰イオンを含む塩は、中性溶液を形成します。これらの塩は、強酸と強塩基の対イオンで構成されています。硝酸カリウムの純粋な水溶液は、カリウムも硝酸塩も酸性または塩基性の特性を持たないため、pHは7になります。

弱塩基の対イオンである陽イオンと強酸の対イオンである陰イオンを含む塩のpHは7未満になります。臭化アンモニウムの溶液では、臭化物イオンはpH中性ですが、アンモニウムイオンは酸性で、水分子にプロトンを供与します。

強塩基の対イオンであるカチオンと弱酸の対イオンである陰イオンを含む塩のpHは7より大きくなります。酢酸ナトリウム溶液では、ナトリウムイオンはpH中性ですが、酢酸イオンは塩基性で、水分子からプロトンを受け入れます。

一部の塩には、弱酸と弱塩基の対イオンである陽イオンと陰イオンが含まれています。陽_イオンのKAが陰_イオンのKBよりも大きい場合、溶液は酸性になります。陰イオンのK_bが陽_イオンのKAより大きい場合の基本。または、_KAとKBが等しい場合は中立です。

亜硝酸アンモニウムの溶液では、アンモニウムのK_aは亜硝酸イオンのK_bよりも高いため、溶液は酸性になります。

酸性イオンまたは塩基性イオンを含む塩溶液の正確なpHは、そのイオンの共役酸または塩基の解離定数を使用して決定できます。

0.35 Mシアン化ナトリウムのpHは、その共役酸(青酸)のKA_からシアン化物のK_bを計算し、平衡濃度を決定するためのICEテーブルを設定することで決定できます。

ナトリウムカチオンは水と反応しないため、pHに影響を与えず、省略できます。対照的に、シアン化物イオンは水分子からプロトンを受け入れ、水酸化物イオンを生成します。

シアン化物イオンのK_bは、K_a × K_b = K_Wの式を使用して決定できます。青酸の_Kaが10⁻¹⁰×4.90であるのに対し、シアン化物イオンのKbは10⁻⁵×2.04である。

K_bは、青酸の濃度に水酸化物イオンの濃度を掛けたものをシアン化物イオンの濃度で割ったものに等しくなります。

ICEテーブルは、初期濃度と平衡濃度を表すように構築できます。平衡濃度を式に代入すると、K_b は x x x を 0.35 で割ったものに等しく、これは後で 5% ルールによって検証できます。

この方程式を解くと、x は 2.7 × ^10-3 モルに等しくなります。x は 0.35 M の 0.77% にすぎないため、0.35 から x を引いた近似は 0.35 に等しくなります。

溶液のpOHは、2.7 × ^10-3 Mの負の対数を取ることによって計算でき、これは2.57に相当します。

溶液のpHは、pHプラスpOHが14に等しいという式を用いて決定され、したがって、このシアン化ナトリウム溶液のpHは11.43である。

Overview

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

塩の水溶液のpHは、構成要素である陰イオンと陽イオンによって決まります。pH的に中性の陰イオンと、ヒドロニウムイオンを生成する陽イオンを含む塩は、pH7以下の溶液を生成します。例えば、硝酸アンモニウム（NH₄NO₃）溶液では、NO₃⁻イオンは水と反応せず、NH₄⁺イオンはヒドロニウムイオンを生成して酸性溶液となります。例えば、フッ化ナトリウム（NaF）溶液では、Na⁺はpH中性ですが、F^-は水酸化物イオンを生成して塩基性溶液を生成します。強酸または強塩基の対イオンはpH中性であり、そのような対イオンによって形成される塩は、pHが7に等しい中性溶液を生成します。例えば、KBrでは、K⁺陽イオンは加水分解反応に対して不活性のため、pHに影響を与えません。臭化物イオンは、強酸の共役塩基であるため、塩基強度は無視できるほど小さく、溶液は中性となります。

塩の中には、酸性の陽イオンと塩基性の陰イオンの両方を含むものがあります。溶液の全体的な酸性度または塩基性度は、それらの陽イオンと陰イオンの相対的な強さによって決定され、K_aとK_bを用いて比較することができます。例えば、NH₄Fでは、NH₄⁺イオンが酸性で、F⁻イオンが塩基性（弱酸HFの共役塩基）となります。2つの解離定数を比較すると、NH₄⁺のK_aは5.6 × 10⁻¹⁰であり、F⁻のK_bは1. 6 ×10⁻¹¹なので、K_a >K_bなので、この溶液は酸性です。

酸性塩水溶液のpH計算

アニリンは染料の製造に使われるアミンの一種です。アニリンは、弱塩基のアニリンと塩酸を反応させた塩である塩化アニリニウム[C₆H₅NH₃⁺]Clとして単離されます。塩化アニリニウムの0.233 M溶液のpHはいくらでしょうか？

Eq1

アニリニウムイオンのK_aは、その共役塩基であるアニリンのK_bから導出されます。

Eq2

Using the provided information, an ICE table for this system is prepared:

	C₆H₅NH₃⁺(aq)	H₃O⁺(aq)	C₆H₅NH₂(aq)
初期濃度 (M)	0.233	~0	0
濃度変化 (M)	−x	+x	+x
平衡濃度 (M)	0.233 − x	x	x

これらの平衡濃度の項をK_aの式に代入すると、

Eq3

Assuming x << 0.233, the equation is simplified and solved for x:

Eq4

Eq5

ICE表では、xをヒドロニウムイオンの物質量として定義しているので、pHは次のように計算されます。

Eq6

[Al(H₂O)₆]³⁺の電離

塩化アルミニウムの0.10 M溶液は、完全に溶解して水和アルミニウムイオン[Al(H₂O)₆]³⁺を生成するため、その溶液のpHを計算します。

反応の式とK_aは、

Eq7

An ICE table with the provided information is

	Al(H₂O)₆³⁺(aq)	H₃O⁺(aq)	Al(H₂O)₅(OH)²⁺(aq)
初期濃度 (M)	0.10	~0	0
濃度変化 (M)	−x	+x	+x
平衡濃度 (M)	0.10 − x	x	x

これらの平衡濃度の式をイオン化定数の式に代入すると、

Eq8

Assuming x << 0.10 となり、簡略化した式を書くと、

Eq9

ICE表では、xがヒドロニウムイオン濃度に等しいと定義されているため、pHは2.92と計算され、溶液は酸性です。

Eq10

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 14.4: Hydrolysis of Salts.

Transcript

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

塩溶液は、酸性、塩基性、または中性にすることができます。個々のイオンを調べて、その溶液のpHが7未満、7以上、または等しいかどうかを判断できます。

pH 中性の陽イオンと陰イオンを含む塩は、中性溶液を形成します。これらの塩は、強酸と強塩基の対イオンで構成されています。硝酸カリウムの純粋な水溶液は、カリウムも硝酸塩も酸性または塩基性の特性を持たないため、pHは7になります。

弱塩基の対イオンである陽イオンと強酸の対イオンである陰イオンを含む塩のpHは7未満になります。臭化アンモニウムの溶液では、臭化物イオンはpH中性ですが、アンモニウムイオンは酸性で、水分子にプロトンを供与します。

強塩基の対イオンであるカチオンと弱酸の対イオンである陰イオンを含む塩のpHは7より大きくなります。酢酸ナトリウム溶液では、ナトリウムイオンはpH中性ですが、酢酸イオンは塩基性で、水分子からプロトンを受け入れます。

一部の塩には、弱酸と弱塩基の対イオンである陽イオンと陰イオンが含まれています。陽_イオンのKAが陰_イオンのKBよりも大きい場合、溶液は酸性になります。陰イオンのK_bが陽_イオンのKAより大きい場合の基本。または、_KAとKBが等しい場合は中立です。

亜硝酸アンモニウムの溶液では、アンモニウムのK_aは亜硝酸イオンのK_bよりも高いため、溶液は酸性になります。

酸性イオンまたは塩基性イオンを含む塩溶液の正確なpHは、そのイオンの共役酸または塩基の解離定数を使用して決定できます。

0.35 Mシアン化ナトリウムのpHは、その共役酸(青酸)のKA_からシアン化物のK_bを計算し、平衡濃度を決定するためのICEテーブルを設定することで決定できます。

ナトリウムカチオンは水と反応しないため、pHに影響を与えず、省略できます。対照的に、シアン化物イオンは水分子からプロトンを受け入れ、水酸化物イオンを生成します。

シアン化物イオンのK_bは、K_a × K_b = K_Wの式を使用して決定できます。青酸の_Kaが10⁻¹⁰×4.90であるのに対し、シアン化物イオンのKbは10⁻⁵×2.04である。

K_bは、青酸の濃度に水酸化物イオンの濃度を掛けたものをシアン化物イオンの濃度で割ったものに等しくなります。

ICEテーブルは、初期濃度と平衡濃度を表すように構築できます。平衡濃度を式に代入すると、K_b は x x x を 0.35 で割ったものに等しく、これは後で 5% ルールによって検証できます。

この方程式を解くと、x は 2.7 × ^10-3 モルに等しくなります。x は 0.35 M の 0.77% にすぎないため、0.35 から x を引いた近似は 0.35 に等しくなります。

溶液のpOHは、2.7 × ^10-3 Mの負の対数を取ることによって計算でき、これは2.57に相当します。

溶液のpHは、pHプラスpOHが14に等しいという式を用いて決定され、したがって、このシアン化ナトリウム溶液のpHは11.43である。

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