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15.7:

弱酸性溶液

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Weak Acid Solutions

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A  weak acid, like hydrocyanic acid, is a Brønsted acid as it donates a proton to the water molecule and produces the hydronium ion. A weak acid dissociates partially in water according to its acid dissociation constant, Ka, which is 4.9 × 10−10 for hydrocyanic acid. For hydrocyanic acid, the Ka is equal to the concentration of hydronium times the concentration of cyanide ions divided by the concentration of hydrocyanic acid. The acid dissociation constant, Ka, can be used to determine the hydronium ion concentration in a weak acid solution and consequently, the pH of the solution. The concentration of hydronium ions and the pH of a 0.15 molar solution of hydrocyanic acid can be calculated using its equilibrium expression and an ICE table. The concentrations of hydrocyanic acid, hydronium, and cyanide initially and at equilibrium can be expressed in a table that shows the Initial, Change, and Equilibrium concentrations of each of the molecules. To reach equilibrium, the initial concentration of the reactants decreases as the initial concentration of the products increases according to their molar ratios. This change in the concentration of the reactants and products is denoted by x. Substituting equilibrium concentrations in the expression for the Ka yields x times x divided by 0.15 minus x.  In many weak acids, x, the amount of dissociation, is likely to be very small compared to the initial concentration of 0.15 molar. 0.15 minus x can be assumed to be approximately 0.15. When the equation is solved, x equals 8.6 × 10−6 molar. The approximation, 0.15 minus x equal to 0.15, is valid only if x is less than 5% of 0.15 molar. Here, x is 0.0057% of 0.15 molar and hence this approximation is valid. Therefore, the concentration of hydronium is 8.6 × 10−6 molar. To determine the pH, take the negative log of the hydronium ion concentration. Solving this shows the pH of the 0.15 M hydrocyanic acid solution is 5.07. The pH of a solution can be used to determine the Ka of a weak acid. For example, acetic acid dissociates partially into hydronium ions and acetate ions when dissolved in water. The Ka for acetic acid can be expressed as the hydronium ion concentration times the acetate ion concentration divided by the concentration of acetic acid. If the pH of a 0.20 molar acetic acid solution is 2.72, its hydronium concentration can be calculated, which is 1.9 × 10−3 molar. The ICE table can be constructed from the initial and equilibrium concentrations of the acetic acid, hydronium ions, and acetate ions.  Using significant figures, 0.20 minus 1.9  × 10−3 is essentially equal to 0.20. By substituting the equilibrium values into the Ka expression, Ka equals 1.8 × 10−5.

15.7:

弱酸性溶液

強酸として作用する化合物はほとんどません。それよりもはるかに多くの化合物が弱酸性であり、水と部分的にしか反応しません。溶解した分子の大部分は元のままであり、比較的少量のヒドロニウムイオンが生成されるだけです。柑橘類のピリッとした味、虫に刺されたときのチクチク感、体臭などの原因の一つが弱酸であり、自然界に多く存在しています。身近なところでは、お酢の主成分である酢酸が弱酸性です。

Eq1

上の式で二重矢印が使われているのは、このプロセスが部分的な反応であるという側面を表しています。一般的な条件で水に溶解した場合、酢酸分子の約1%だけがイオン化した形であるCH3COOで存在します。

弱酸性水溶液のヒドロニウムイオン濃度とpHの計算

ギ酸(HCO2H)は、一部のアリに噛まれたり、刺されたりしたときに体の反応を引き起こす刺激物の一つです。0.534 Mのギ酸水溶液のヒドロニウムイオンの濃度とpHはいくらでしょうか?

Eq2

The ICE table for this system is

 HCO2H (aq) H3O+ (aq) HCO2(aq)
初期濃度 (M) 0.534 ~0 0
濃度変化 (M) −x +x +x
平衡濃度 (M) 0.534 − x x x

平衡濃度の項をKaの式に代入すると、

Eq3

初期濃度が比較的大きく、平衡定数が小さいことから、xが0.534よりもはるかに小さいという単純化された仮定が成り立つため、式は次のようになります。

Eq4

式をxについて解くと、次のようになります。

Eq5

xが0.534に比べて小さいという仮定を確認するために、その相対的な大きさを推定することができます。

Eq6

xが初期濃度の5%以下であるため、この仮定は成立しています。ICE表で定義されているように、xはヒドロニウムイオンの平衡濃度に等しいです。

Eq7

最終的に、pHは次のように計算されます。

Eq8

pHからのKaの決定

亜硝酸(HNO2)の0.0516 M溶液のpHは2.34です。そのKaはいくらでしょうか?

Eq9

記載されている亜硝酸濃度は形式的な濃度であり、溶液中で成立する可能性のある化学平衡を考慮していないものです。このような濃度は、ICE表を用いた平衡計算では、 “初期”値として扱われます。ヒドロニウムイオンの初期値がほとんど 0と記載されていることに注意する必要があります。これは、水の自己解離により、わずかな濃度のH3O+が存在するからである(1 × 10−7 M)。多くの場合、この濃度は問題の酸(または塩基)のイオン化によって発生する濃度よりもはるかに小さく、無視してよいです。

<p記載されているpHは、亜硝酸が酸性に電離した結果のヒドロニウムイオン濃度の対数的な尺度であるため、ICE表の“平衡”値を表しています。

Eq1

この系におけるICE表は次のとおりです。

 HNO2 (aq)   H3O+ (aq) NO2(aq)
初期濃度 (M) 0.0516 ~0 0
濃度変化 (M) −0.0046 +0.0046 +0.0046
平衡濃度 (M) 0.0470 0.0046 0.0046

最後に、表の値を使って平衡定数を計算します。

Eq11

上記の文章は下記から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 4.2: Classifying Chemical Reactions and Openstax, Chemistry 2e,14.3 Relative Strengths of Acids and Bases.