プレンステッド酸・塩基と共役酸・共役塩基について

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プレンステッド酸とプレンステッド塩基の違い

  • プレンステッド酸は水素イオンを他物質へ与える
  • プレンステッド塩基は水素イオンを他物質から受け取る

⇒野球でいうピッチャーとキャッチャーの関係(水素イオンをボールとすると)

プレンステッド酸の例としては$$(ex)HF(gas)+H_2 O(liquid)→H_3 O^+(aqua)+F^-(aqua)$$があります。この場合、フッ化水素が水に水素イオンをぶつけているのでプレンステッド酸となります。

プレンステッド塩基の例としては$$(ex)H_2O(g)+NH_3(aq)→NH_4^+(aq)+OH^+(aq)$$があって、この場合は、アンモニアが水からの水素イオンを受け取っているためプレンステッド塩基となる。

二つの例を見ればわかるように、水は水素イオンを相手にぶつけたり、受け取ったりできている。⇒水素は両性である。酸でもあれば塩基でもある。

ふつう、この水素イオンのやり取りは、平衡状態である(見た目は反応していないように見えるが正反応と逆反応が均等に起きているためそう見える)

$$(ex)HF(gas)+H_2 O(liquid)<=>H_3 O^+(aqua)+F^-(aqua)$$

共役酸と共役塩基

たとえば、この反応で$$(ex)HF(gas)+H_2 O(liquid)<=>H_3 O^+(aqua)+F^-(aqua)$$正反応(右向きの反応)では\(HF\)が酸で\(H_2 O\)が塩基でしたが、逆反応(左向きの反応)では\(H_3 O^+\)が酸で\(F^-\)が塩基として反応しています。

ここでいう共役酸とは、\(H_3 O^+\)のことを言います。(正反応では\(H_2 O\)は塩基として働いていたのに逆反応では酸として働いていること区別するための言葉です)

ここでいう共役塩基とは、\(F^-\)のことを言います。(正反応では\(HF\)は酸として働いていたのに逆反応では塩基として働いていること区別するための言葉です)

プレンステッド酸・塩基の強さについて

基本的に強い酸とは相手に水素イオンをぶつけやすい酸→水素イオンを手放しやすい物質のこと

この水素イオンの手放しやすさを表したものを\(K_a\)(酸解離定数)という。$$HX(aq)+H_2O(l)<=>H_3 O^+(aq)+X^-(aq)$$ $$K=\frac{[H_3 O^+][X^-]}{[HX][H_2 O]}$$を単なる解離定数と呼び、\(H_2 O\)は大量にあり、電離しても減少は微々たるもので、定数として扱えるため$$K_a = K[H_2 O]$$とする。

\(K_a\)(酸解離定数)は上のように定義され、考えればわかるように、この値が大きくなればなるほど分子にある\([H_3 O^+][X^-]\)が大きくなるということが分かる。すなわち、平衡状態は左に偏っているということが分かる。

同じように、塩基でも塩基解離定数というものがあり、$$B(aq)+H_2 O <=> BH^+ (aq)+ OH^-(aq)$$$$K_b=\frac{[B]}{[BH^+][OH^-]}$$と表せる。

水のイオン積とその用途

水は先ほども説明したように両性の物質(酸でも塩基でもある)であるため、$$2H_2 O<=>H_3 O^+(aq)+OH^-(aq)$$という平衡状態に達する。解離定数は$$K_w = [H_3 O^+][OH^-]$$と考えられる。※前述したように、\(H_2 O\)は定数として扱えるため。

この値は、25℃で実験で\(1.00*10^{-14}\)となっていてこの値を使っえば、酸と塩基を同じ土俵で比べることができる。⇒塩基の強さをその塩基の共役酸の強さで表すことができる

アンモニアの反応$$H_2O(g)+NH_3(aq)→NH_4^+(aq)+OH^+(aq)$$アンモニアの共役酸であるアンモニウムイオンの反応では、$$NH_4^+(aq)+H_2 O(l) →H_3 O^+(aq)+NH_3(aq)$$

これら2つの反応のそれぞれの解離定数\(K_a K_b\)についての積を考えてみると$$K_a*K_b=[OH^-][H_3 O^+]=K_w$$

この等式を使えば、塩基の解離定数から、酸の解離定数が求められ、酸と強さを比べることができます。$$K_a=\frac{K_w}{K_b}$$であるため、K_bが小さいほどK_aが大きくなることが分かります。

つまり、ある酸とその共役塩基の強さ、もしくはある塩基とその共役酸の強さは反比例の関係なるということが分かります

強酸の共役塩基は弱塩基なのです。その逆もしかり。

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