第14章酸塩基平衡

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

A compound that can donate a proton (a hydrogen ion) to another compound is called a Brønsted-Lowry acid. The compound that accepts the proton is called a Brønsted-Lowry base. The species remaining after a Brønsted-Lowry acid has lost a proton is the conjugate base of the acid. The species formed when a Brønsted-Lowry base gains a proton is the conjugate acid of the base. Thus, an acid-base reaction occurs when a proton is transferred from an acid to a base, with formation of the conjugate base of the reactant acid and formation of the conjugate acid of the reactant base. Amphiprotic species can act as both proton donors and proton acceptors. Water is the most important amphiprotic species. It can form both the hydronium ion, H₃O⁺, and the hydroxide ion, OH⁻ when it undergoes autoionization:

英語のヒント

別の化合物にプロトン（水素イオン）を与えることのできる化合物を、ブレンステッド・ローリーの酸という。プロトンを受け取る化合物を、ブレンステッド・ローリーの塩基という。ブレンステッド・ローリーの酸がプロトンを失った後に残る化学種は、その酸の共役塩基である。ブレンステッド・ローリーの塩基がプロトンを受け取ったときにできる化学種は、その塩基の共役酸である。したがって、酸から塩基へプロトンが移動すると酸塩基反応が起こり、反応物である酸の共役塩基と、反応物である塩基の共役酸が生じる。両性の化学種は、プロトンを与える側にも受け取る側にもなれる。水は最も重要な両性化学種である。水が自己解離すると、オキソニウムイオンH₃O⁺と水酸化物イオンOH⁻の両方を生じる。

{2H}_{2} O(l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + {OH}^{−} (a q)

The ion product of water, K_w is the equilibrium constant for the autoionization reaction:

水のイオン積K_wは、自己解離反応の平衡定数である。

K_{w} = [H_{3} O^{+}] [{OH}^{−}] = 1.0 \times 1 0^{−14} at 25 °C

Key Equations重要な式

K_w = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0

\times

10⁻¹⁴ (at 25 °C)

K_w = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0

\times

10⁻¹⁴（25 °Cにおいて）

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 1–14練習問題 1–14

Exercise 1問題 1

Write equations that show NH₃ as both a conjugate acid and a conjugate base.

NH₃が共役酸にも共役塩基にもなることを示す式を書きなさい。

Solution解き方

One example for NH₃ as a conjugate acid:

{NH}_{2}^{−} + H^{+} ⟶ {NH}_{3};

as a conjugate base:

{NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{−} (a q) ⟶ {NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l)

NH₃が共役酸となる例：

{NH}_{2}^{−} + H^{+} ⟶ {NH}_{3};

　共役塩基となる例：

{NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{−} (a q) ⟶ {NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l)

Exercise 2問題 2

Write equations that show

H_{2} {PO}_{4}^{−}

acting both as an acid and as a base.

H_{2} {PO}_{4}^{−}

が酸としても塩基としても働くことを示す式を書きなさい。

Exercise 3問題 3

Show by suitable net ionic equations that each of the following species can act as a Brønsted-Lowry acid:

英語のヒント

次の各化学種がブレンステッド・ローリーの酸として働くことを、適切な正味のイオン反応式で示しなさい。

(a)

H_{3} O^{+}

(a)

H_{3} O^{+}

(b) HCl

(d) CH₃CO₂H

(e)

{NH}_{4}^{+}

(e)

{NH}_{4}^{+}

(f)

{HSO}_{4}^{−}

(f)

{HSO}_{4}^{−}

Solution解き方

(a)

H_{3} O^{+} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + H_{2} O (l);

(b)

HCl (aq) ⟶ H^{+} (a q) + {Cl}^{−} (a q);

(c)

{NH}_{3} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {NH}_{2}^{−} (a q);

(d)

{CH}_{3} {CO}_{2} H (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {CH}_{3} {CO}_{2}^{−} (a q);

(e)

{NH}_{4}^{+} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {NH}_{3} (a q);

(f)

{HSO}_{4}^{−} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {SO}_{4}^{2−} (a q)

(a)

H_{3} O^{+} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + H_{2} O (l);

(b)

HCl (aq) ⟶ H^{+} (a q) + {Cl}^{−} (a q);

(c)

{NH}_{3} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {NH}_{2}^{−} (a q);

(d)

{CH}_{3} {CO}_{2} H (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {CH}_{3} {CO}_{2}^{−} (a q);

(e)

{NH}_{4}^{+} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {NH}_{3} (a q);

(f)

{HSO}_{4}^{−} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {SO}_{4}^{2−} (a q)

Exercise 4問題 4

Show by suitable net ionic equations that each of the following species can act as a Brønsted-Lowry acid:

次の各化学種がブレンステッド・ローリーの酸として働くことを、適切な正味のイオン反応式で示しなさい。

(a) HNO₃

(b)

{PH}_{4}^{+}

(b)

{PH}_{4}^{+}

(d) CH₃CH₂COOH

(e)

H_{2} {PO}_{4}^{−}

(e)

H_{2} {PO}_{4}^{−}

(f) HS⁻

Exercise 5問題 5

Show by suitable net ionic equations that each of the following species can act as a Brønsted-Lowry base:

次の各化学種がブレンステッド・ローリーの塩基として働くことを、適切な正味のイオン反応式で示しなさい。

(a) H₂O

(b) OH⁻

(d) CN⁻

(e) S²⁻

(f)

H_{2} {PO}_{4}^{−}

(f)

H_{2} {PO}_{4}^{−}

Solution解き方

(a)

H_{2} O (l) + H^{+} (a q) ⟶ H_{3} O^{+} (a q);

(b)

{OH}^{−} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ H_{2} O (l);

(c)

{NH}_{3} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ {NH}_{4}^{+} (a q);

(d)

{CN}^{−} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ HCN (a q);

(e)

S^{2−} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ {HS}^{−} (a q);

(f)

H_{2} {PO}_{4}^{−} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ H_{3} {PO}_{4} (a q)

(a)

H_{2} O (l) + H^{+} (a q) ⟶ H_{3} O^{+} (a q);

(b)

{OH}^{−} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ H_{2} O (l);

(c)

{NH}_{3} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ {NH}_{4}^{+} (a q);

(d)

{CN}^{−} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ HCN (a q);

(e)

S^{2−} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ {HS}^{−} (a q);

(f)

H_{2} {PO}_{4}^{−} (a q) + H^{+} (a q) ⟶ H_{3} {PO}_{4} (a q)

Exercise 6問題 6

Show by suitable net ionic equations that each of the following species can act as a Brønsted-Lowry base:

次の各化学種がブレンステッド・ローリーの塩基として働くことを、適切な正味のイオン反応式で示しなさい。

(a) HS⁻

(b)

{PO}_{4}^{3−}

(b)

{PO}_{4}^{3−}

(c)

{NH}_{2}^{−}

(c)

{NH}_{2}^{−}

(d) C₂H₅OH

(e) O²⁻

(f)

H_{2} {PO}_{4}^{−}

(f)

H_{2} {PO}_{4}^{−}

Exercise 7問題 7

What is the conjugate acid of each of the following? What is the conjugate base of each?

次の各化学種の共役酸は何か。また、それぞれの共役塩基は何か。

(a) OH⁻

(b) H₂O

(c)

{HCO}_{3}^{−}

(c)

{HCO}_{3}^{−}

(d) NH₃

(e)

{HSO}_{4}^{−}

(e)

{HSO}_{4}^{−}

(f) H₂O₂

(g) HS⁻

(h)

H_{5} N_{2}^{+}

(h)

H_{5} N_{2}^{+}

Solution解き方

(a) H₂O, O²⁻; (b) H₃O⁺, OH⁻; (c) H₂CO₃,

{CO}_{3}^{2−};

(d)

{NH}_{4}^{+},

{NH}_{2}^{−};

(e) H₂SO₄,

{SO}_{4}^{2−};

(f)

H_{3} O_{2}^{+},

{HO}_{2}^{−};

(g) H₂S; S²⁻; (h)

H_{6} N_{2}^{2+},

H₄N₂

(a) H₂O, O²⁻; (b) H₃O⁺, OH⁻; (c) H₂CO₃,

{CO}_{3}^{2−};

(d)

{NH}_{4}^{+},

{NH}_{2}^{−};

(e) H₂SO₄,

{SO}_{4}^{2−};

(f)

H_{3} O_{2}^{+},

{HO}_{2}^{−};

(g) H₂S; S²⁻; (h)

H_{6} N_{2}^{2+},

H₄N₂

Exercise 8問題 8

What is the conjugate acid of each of the following? What is the conjugate base of each?

次の各化学種の共役酸は何か。また、それぞれの共役塩基は何か。

(a) H₂S

(b)

H_{2} {PO}_{4}^{−}

(b)

H_{2} {PO}_{4}^{−}

(d) HS⁻

(e)

{HSO}_{3}^{−}

(e)

{HSO}_{3}^{−}

(f)

H_{3} O_{2}^{+}

(f)

H_{3} O_{2}^{+}

(g) H₄N₂

(h) CH₃OH

Exercise 9問題 9

Identify and label the Brønsted-Lowry acid, its conjugate base, the Brønsted-Lowry base, and its conjugate acid in each of the following equations:

英語のヒント

次の各反応式で、ブレンステッド・ローリーの酸とその共役塩基、ブレンステッド・ローリーの塩基とその共役酸を特定し、表示しなさい。

(a)

{HNO}_{3} + H_{2} O ⟶ H_{3} O^{+} + {NO}_{3}^{−}

(a)

{HNO}_{3} + H_{2} O ⟶ H_{3} O^{+} + {NO}_{3}^{−}

(b)

{CN}^{−} + H_{2} O ⟶ HCN + {OH}^{−}

(b)

{CN}^{−} + H_{2} O ⟶ HCN + {OH}^{−}

(c)

H_{2} {SO}_{4} + {Cl}^{−} ⟶ HCl + {HSO}_{4}^{−}

(c)

H_{2} {SO}_{4} + {Cl}^{−} ⟶ HCl + {HSO}_{4}^{−}

(d)

{HSO}_{4}^{−} + {OH}^{−} ⟶ {SO}_{4}^{2−} + H_{2} O

(d)

{HSO}_{4}^{−} + {OH}^{−} ⟶ {SO}_{4}^{2−} + H_{2} O

(e)

O^{2−} + H_{2} O ⟶ 2 {OH}^{−}

(e)

O^{2−} + H_{2} O ⟶ 2 {OH}^{−}

(f)

{[Cu {(H_{2} O)}_{3} (OH)]}^{+} + {[Al {(H_{2} O)}_{6}]}^{3+} ⟶ {[Cu {(H_{2} O)}_{4}]}^{2+} + {[Al {(H_{2} O)}_{5} (OH)]}^{2+}

(f)

{[Cu {(H_{2} O)}_{3} (OH)]}^{+} + {[Al {(H_{2} O)}_{6}]}^{3+} ⟶ {[Cu {(H_{2} O)}_{4}]}^{2+} + {[Al {(H_{2} O)}_{5} (OH)]}^{2+}

(g)

H_{2} S + {NH}_{2}^{−} ⟶ {HS}^{−} + {NH}_{3}

(g)

H_{2} S + {NH}_{2}^{−} ⟶ {HS}^{−} + {NH}_{3}

Solution解き方

The labels are Brønsted-Lowry acid = BA; its conjugate base = CB; Brønsted-Lowry base = BB; its conjugate acid = CA. (a) HNO₃(BA), H₂O(BB), H₃O⁺(CA),

{NO}_{3}^{−} (CB);

(b) CN⁻(BB), H₂O(BA), HCN(CA), OH⁻(CB); (c) H₂SO₄(BA), Cl⁻(BB), HCl(CA),

{HSO}_{4}^{−} (CB);

(d)

{HSO}_{4}^{−} (BA),

OH⁻(BB),

{SO}_{4}^{2−}

(CB), H₂O(CA); (e) O²⁻(BB), H₂O(BA) OH⁻(CB and CA); (f) [Cu(H₂O)₃(OH)]⁺(BB), [Al(H₂O)₆]³⁺(BA), [Cu(H₂O)₄]²⁺(CA), [Al(H₂O)₅(OH)]²⁺(CB); (g) H₂S(BA),

{NH}_{2}^{−} (BB),

HS⁻(CB), NH₃(CA)

表示は、ブレンステッド・ローリーの酸 = BA、その共役塩基 = CB、ブレンステッド・ローリーの塩基 = BB、その共役酸 = CAとする。(a) HNO₃(BA)、H₂O(BB)、H₃O⁺(CA)、

{NO}_{3}^{−} (CB);

　(b) CN⁻(BB)、H₂O(BA)、HCN(CA)、OH⁻(CB)；(c) H₂SO₄(BA)、Cl⁻(BB)、HCl(CA)、

{HSO}_{4}^{−} (CB);

　(d)

{HSO}_{4}^{−} (BA),

、OH⁻(BB)、

{SO}_{4}^{2−}

(CB)、H₂O(CA)；(e) O²⁻(BB)、H₂O(BA)、OH⁻(CBかつCA)；(f) [Cu(H₂O)₃(OH)]⁺(BB)、[Al(H₂O)₆]³⁺(BA)、[Cu(H₂O)₄]²⁺(CA)、[Al(H₂O)₅(OH)]²⁺(CB)；(g) H₂S(BA)、

{NH}_{2}^{−} (BB),

、HS⁻(CB)、NH₃(CA)

Exercise 10問題 10

Identify and label the Brønsted-Lowry acid, its conjugate base, the Brønsted-Lowry base, and its conjugate acid in each of the following equations:

英語のヒント

次の各反応式で、ブレンステッド・ローリーの酸とその共役塩基、ブレンステッド・ローリーの塩基とその共役酸を特定し、表示しなさい。

(a)

{NO}_{2}^{−} + H_{2} O ⟶ {HNO}_{2} + {OH}^{−}

(a)

{NO}_{2}^{−} + H_{2} O ⟶ {HNO}_{2} + {OH}^{−}

(b)

HBr + H_{2} O ⟶ H_{3} O^{+} + {Br}^{−}

(b)

HBr + H_{2} O ⟶ H_{3} O^{+} + {Br}^{−}

(c)

{HS}^{−} + H_{2} O ⟶ H_{2} S + {OH}^{−}

(c)

{HS}^{−} + H_{2} O ⟶ H_{2} S + {OH}^{−}

(d)

H_{2} {PO}_{4}^{−} + {OH}^{−} ⟶ {HPO}_{4}^{2−} + H_{2} O

(d)

H_{2} {PO}_{4}^{−} + {OH}^{−} ⟶ {HPO}_{4}^{2−} + H_{2} O

(e)

H_{2} {PO}_{4}^{−} + HCl ⟶ H_{3} {PO}_{4} + {Cl}^{−}

(e)

H_{2} {PO}_{4}^{−} + HCl ⟶ H_{3} {PO}_{4} + {Cl}^{−}

(f)

{[Fe {(H_{2} O)}_{5} (OH)]}^{2+} + {[Al {(H_{2} O)}_{6}]}^{3+} ⟶ {[Fe {(H_{2} O)}_{6}]}^{3+} + {[Al {(H_{2} O)}_{5} (OH)]}^{2+}

(f)

{[Fe {(H_{2} O)}_{5} (OH)]}^{2+} + {[Al {(H_{2} O)}_{6}]}^{3+} ⟶ {[Fe {(H_{2} O)}_{6}]}^{3+} + {[Al {(H_{2} O)}_{5} (OH)]}^{2+}

(g)

{CH}_{3} OH + H^{−} ⟶ {CH}_{3} O^{−} + H_{2}

(g)

{CH}_{3} OH + H^{−} ⟶ {CH}_{3} O^{−} + H_{2}

Exercise 11問題 11

What are amphiprotic species? Illustrate with suitable equations.

英語のヒント

両性の化学種とは何か。適切な式を使って説明しなさい。

Solution解き方

Amphiprotic species may either gain or lose a proton in a chemical reaction, thus acting as a base or an acid. An example is H₂O. As an acid:

H_{2} O (a q) + {NH}_{3} (a q) ⇌ {NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{−} (a q) .

As a base:

H_{2} O (a q) + HCl (a q) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + {Cl}^{−} (a q)

両性の化学種は、化学反応でプロトンを受け取ることも失うこともでき、そのため塩基としても酸としても働く。例としてH₂Oがある。酸として：

H_{2} O (a q) + {NH}_{3} (a q) ⇌ {NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{−} (a q) .

　塩基として：

H_{2} O (a q) + HCl (a q) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + {Cl}^{−} (a q)

Exercise 12問題 12

State which of the following species are amphiprotic and write chemical equations illustrating the amphiprotic character of these species:

次の化学種のうち、どれが両性かを述べ、それらの化学種が両性であることを示す化学反応式を書きなさい。

(a) H₂O

(b)

{HPO}_{4}^{2−}

(b)

{HPO}_{4}^{2−}

(d)

{CO}_{3}^{2−}

(d)

{CO}_{3}^{2−}

(e)

{HSO}_{4}^{−}

(e)

{HSO}_{4}^{−}

Exercise 13問題 13

State which of the following species are amphiprotic and write chemical equations illustrating the amphiprotic character of these species.

次の化学種のうち、どれが両性かを述べ、それらの化学種が両性であることを示す化学反応式を書きなさい。

(a)

{NH}_{3}

(a)

{NH}_{3}

(b)

{HPO}_{4}^{2−}

(b)

{HPO}_{4}^{2−}

(d)

{NH}_{4}^{+}

(d)

{NH}_{4}^{+}

(e)

{AsO}_{4}^{3−}

(e)

{AsO}_{4}^{3−}

Solution解き方

amphiprotic: (a)

{NH}_{3} + H_{3} O^{+} ⟶ {NH}_{4} OH + H_{2} O,

{NH}_{3} + {OCH}_{3}^{−} ⟶ {NH}_{2}^{−} + {CH}_{3} OH;

(b)

{HPO}_{4}^{2−} + {OH}^{−} ⟶ {PO}_{4}^{3−} + H_{2} O,

{HPO}_{4}^{2−} + {HClO}_{4} ⟶ H_{2} {PO}_{4}^{−} + {ClO}_{4}^{−};

not amphiprotic: (c) Br⁻; (d)

{NH}_{4}^{+};

(e)

{AsO}_{4}^{3−}

両性：(a)

{NH}_{3} + H_{3} O^{+} ⟶ {NH}_{4} OH + H_{2} O,

{NH}_{3} + {OCH}_{3}^{−} ⟶ {NH}_{2}^{−} + {CH}_{3} OH;

　(b)

{HPO}_{4}^{2−} + {OH}^{−} ⟶ {PO}_{4}^{3−} + H_{2} O,

{HPO}_{4}^{2−} + {HClO}_{4} ⟶ H_{2} {PO}_{4}^{−} + {ClO}_{4}^{−};

　両性ではない：(c) Br⁻；(d)

{NH}_{4}^{+};

　(e)

{AsO}_{4}^{3−}

Exercise 14問題 14

Is the self-ionization of water endothermic or exothermic? The ionization constant for water (K_w) is 2.9

\times

10⁻¹⁴ at 40 °C and 9.3

\times

10⁻¹⁴ at 60 °C.

水の自己解離は吸熱反応か、それとも発熱反応か。水の解離定数（K_w）は40 °Cで2.9

\times

10⁻¹⁴、60 °Cで9.3

\times

10⁻¹⁴である。

acid ionization

酸の電離

reaction involving the transfer of a proton from an acid to water, yielding hydronium ions and the conjugate base of the acid

酸から水へのプロトンの移動を伴い、オキソニウムイオンとその酸の共役塩基を生じる反応

amphiprotic

両性（プロトンの授受）

species that may either donate or accept a proton in a Brønsted-Lowry acid-base reaction

ブレンステッド・ローリーの酸塩基反応で、プロトンを与えることも受け取ることもできる化学種

amphoteric

両性

species that can act as either an acid or a base

酸としても塩基としても働くことのできる化学種

autoionization

自己解離

reaction between identical species yielding ionic products; for water, this reaction involves transfer of protons to yield hydronium and hydroxide ions

同一の化学種どうしが反応してイオンを生じる反応。水の場合はプロトンの移動を伴い、オキソニウムイオンと水酸化物イオンが生じる

base ionization

塩基の電離

reaction involving the transfer of a proton from water to a base, yielding hydroxide ions and the conjugate acid of the base

水から塩基へのプロトンの移動を伴い、水酸化物イオンとその塩基の共役酸を生じる反応

Brønsted-Lowry acid

ブレンステッド・ローリーの酸

proton donor

プロトンを与えるもの

Brønsted-Lowry base

ブレンステッド・ローリーの塩基

proton acceptor

プロトンを受け取るもの

conjugate acid

共役酸

substance formed when a base gains a proton

塩基がプロトンを受け取ったときに生じる物質

conjugate base

共役塩基

substance formed when an acid loses a proton

酸がプロトンを失ったときに生じる物質

ion-product constant for water (K_w)

水のイオン積定数（K_w）

equilibrium constant for the autoionization of water

水の自己解離の平衡定数