理論化学

電離平衡とは?

投稿日:10月 17, 2020 更新日:

今回は電離平衡について解説するにゃ。

・水の電離平衡とは?

 わずかですが純水な水も一部が電離為てイオンを生じ電離平衡の状態になっているので電気伝導性を示します。化学平衡の法則から電離定数K=[H][OH]/[H2O]の関係式が得られるが25℃の温度条件下におけるHとOHの濃度は[H]=[OH]=1.0×10-7mol/Lと小さい。このように水はわずかしか電離していないので水の濃度[H2O]は一定であるとみなせる。したがってKと[H2O]の積Kwの値も温度が変わらなければ一定となり、[H]と[OH]の積に等しくなる。このKwは一般に水のイオン積とよばれる。Kwの値は25℃ではKw=1.0×10-14(mol/L)2となるがこの関係は純粋な水ばかりでなく酸や塩基が溶けた水溶液でもなりたつ。例えば水に酸を溶かすと[[H]は増加し、[OH]は減少する。逆に水に塩基を溶かすと[OH]は増加し、[H]は減少する。このように水に酸や塩基を加えた時、[H]と[OH]の値は一方が増加すると他方は減少して結果的に水のイオン積は一定に保たれる。

・弱酸の電離平衡とは?

酢酸は水中で以下のように電離します。

CH3COOH ⇄ H+CH3COO-

電離していない分子と電離して生成したイオンとの間に成立する平衡状態を電離平衡といいます。次に弱酸[H]をもとめていきましょう。

まずは酢酸の濃度をC[mol/L]、酢酸の電離度a、酢酸の電離定数Kaとおきます。

    CH3COOH ⇄ H+CH3COO

電離前  C

変化量  ーCa +Ca +Ca

平衡時 C(1-a) Ca Ca

平衡時の[H]は[H]=Caであることがわかりました。つぎに[H]をもとめるにはaの値がわかる必要があります。酢酸に電離式より酢酸の電離定数は

Ka=[H][CH3COO]/[CH3COO] これに平衡時の各濃度を代入

Ka=Ca×Ca/C(1-a)=Ca2/1-a

酢酸のような弱酸は電離度が1と比較して小さい場合が多いのでここでは1-a≑1とみなせる。

Ka=Ca2/1-a=Ca2/1=Ca2

→a=√Ka/c ①

[H]=Caに①を代入すると[H]=√CKa

例題を解いてみましょう。CH3COOH ⇄ H+CH3COOの電離について酢酸の電離定数をKa=3.0×10-5mol/Lとする。水素イオン濃度が1.5×10-3mol/Lの酢酸水溶液のモル濃度をもとめる。ただし酢酸の電離度は1に比べて非常に小さいものとする。

先ほど解説した式に代入しましょう。酢酸の電離度は1に比べて非常に小さいとあるのでa=√Ka/cよって[H]=√CKa

1.5×10-3=√C×3.0×10-5

C=0.5×10-1=5.0×10-2mol/L]

・弱塩基の電離平衡とは?

弱塩基であるアンモニアを例にとって[OH]をもとめていきましょう。

NH3 +H2O ⇄ NH4+OH

平衡定数K=[NH4][OH]/[NH3][H2O]

水は一定とみなしてよいので

Kb=[NH4][OH]/[NH3]

まずはアンモニアの濃度C[mol/L],アンモニアの電離度a,アンモニアの電離定数をKbとおく。

     NH3 +H2O ⇄ NH4+OH

電離前   C

変化量   ーCa +Ca +Ca

平衡時   C(1-a) Ca Ca

Kb=[NH4][OH]/[NH3]に代入

Kb=Ca×Ca/C(1-a)=Ca2/1-a 弱塩基であるアンモニアの電離度はたいてい1より非常に小さいので1-a≑1とみなせる。そうすると

Kb=Ca2/1-a=Ca2/1=Ca2

a=√Kb/c ②

②を[OH]=Caに代入すると

[OH]=√CKb

・まとめ

-理論化学

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