第14章酸塩基平衡

The Ionization of Hydrated Metal Ions水和金属イオンの電離

Unlike the group 1 and 2 metal ions of the preceding examples (Na⁺, Ca²⁺, etc.), some metal ions function as acids in aqueous solutions. These ions are not just loosely solvated by water molecules when dissolved, instead they are covalently bonded to a fixed number of water molecules to yield a complex ion (see chapter on coordination chemistry). As an example, the dissolution of aluminum nitrate in water is typically represented as

英語のヒント

前の例に出てきた1族や2族の金属イオン（Na⁺、Ca²⁺など）と異なり、水溶液中で酸として働く金属イオンもある。このようなイオンは、溶けたときに水分子で緩く溶媒和されるだけではなく、一定数の水分子と共有結合して錯イオンを作る（配位化学の章を参照）。例えば、硝酸アルミニウムの水への溶解は、通常、次のように表す。

Al ({NO}_{3})_{3} (s) ⇌ {Al}^{3 +} (a q) + 3 {NO}_{3}^{-} (a q)

However, the aluminum(III) ion actually reacts with six water molecules to form a stable complex ion, and so the more explicit representation of the dissolution process is

英語のヒント

しかし実際には、アルミニウム(III)イオンは6個の水分子と反応して安定な錯イオンを作るので、この溶解過程をより明示的に表すと、次のようになる。

Al {({NO}_{3})}_{3} (s) + 6 H_{2} O (l) ⇌ Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + 3 {NO}_{3}^{−} (a q)

As shown in Figure 14.13, the

Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+}

ions involve bonds between a central Al atom and the O atoms of the six water molecules. Consequently, the bonded water molecules' O–H bonds are more polar than in nonbonded water molecules, making the bonded molecules more prone to donation of a hydrogen ion:

英語のヒント

図14.13に示すように、

Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+}

イオンでは、中心のAl原子と6個の水分子のO原子との間に結合がある。その結果、結合した水分子のO–H結合は、結合していない水分子のO–H結合より極性が強くなり、水素イオンを与えやすくなる。

Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{5} (O {H)}^{2+} (a q) K_{a} = 1.4 \times 10^{−5}

The conjugate base produced by this process contains five other bonded water molecules capable of acting as acids, and so the sequential or step-wise transfer of protons is possible as depicted in few equations below:

英語のヒント

この過程で生じる共役塩基には、酸として働くことのできる、結合した水分子がさらに5個含まれる。したがって、次のいくつかの式に示すように、プロトンを順に、すなわち段階的に移動させることができる。

Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{5} ({O H)}^{2+} (a q)

Al {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{4} ({OH)}_{2}^{+} (a q)

Al {(H_{2} O)}_{4} ({OH)}_{2}^{+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{3} ({OH)}_{3} (a q)

This is an example of a polyprotic acid, the topic of discussion in a later section of this chapter.

英語のヒント

これは多価酸の例であり、本章の後の節で扱う。

球棒模型で反応を示す図。左には、右上に3+を付けた角括弧の中に構造があり、その下に「[Al(H₂O)₆]³⁺」とある。中心の灰色の原子の周囲に、6個の赤い原子が均等に配置されて結合している。各赤い原子には、小さな白い原子が二股状または折れ曲がった配置で2個結合している。括弧の右外側には、中心の赤い球に2個の小さな白い球が折れ曲がった配置で結合した空間充填模型があり、下に「H₂O」とある。その右に双方向矢印があり、さらに右に、右上を2+とした角括弧がある。中の構造は左と似ているが、白い原子が1個取り除かれており、下の表示は「[Al(H₂O)₅OH]²⁺」に変わっている。その右の括弧の外側には、赤い中心球に3個の小さな白い球が結合した空間充填模型があり、「H₃O⁺」と表示される。 — Figure 14.13図 14.13
When an aluminum ion reacts with water, the hydrated aluminum ion becomes a weak acid.
アルミニウムイオンが水と反応すると、水和したアルミニウムイオンは弱酸になる。

Aside from the alkali metals (group 1) and some alkaline earth metals (group 2), most other metal ions will undergo acid ionization to some extent when dissolved in water. The acid strength of these complex ions typically increases with increasing charge and decreasing size of the metal ions. The first-step acid ionization equations for a few other acidic metal ions are shown below:

英語のヒント

アルカリ金属（1族）と一部のアルカリ土類金属（2族）を除き、大部分の金属イオンは水に溶けると、ある程度、酸として電離する。これらの錯イオンの酸の強さは、通常、金属イオンの電荷が大きく、サイズが小さいほど増す。ほかの酸性金属イオンの第1段階の電離反応式を、いくつか以下に示す。

Fe {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Fe {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+} (a q) {p K}_{a} = 2.74

Cu {(H_{2} O)}_{6}^{2+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Cu {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{+} (a q) {p K}_{a} = ~ 6.3

Zn {(H_{2} O)}_{4}^{2+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Zn {(H_{2} O)}_{3} ({OH)}^{+} (a q) {p K}_{a} = 9.6

Example 14.18例題 14.18

Hydrolysis of [Al(H₂O)₆]³⁺[Al(H₂O)₆]³⁺の加水分解

Calculate the pH of a 0.10-M solution of aluminum chloride, which dissolves completely to give the hydrated aluminum ion

{[Al {(H_{2} O)}_{6}]}^{3+}

in solution.

塩化アルミニウムは完全に溶けて、溶液中で水和アルミニウムイオン

{[Al {(H_{2} O)}_{6}]}^{3+}

を生じる。その0.10 M水溶液のpHを計算しなさい。

Solution解法

The equation for the reaction and K_a are:

反応式とK_aは次のとおりである。

Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+} (a q) K_{a} = 1.4 \times 10^{−5}

An ICE table with the provided information is

与えられた情報から作ったICE表は次のようになる。

主に2列4行からなる表。左上は空欄で、左列には初濃度（M）、変化量（M）、平衡濃度（M）が並ぶ。右列の見出しは「Al(H₂O)₆³⁺ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + Al(H₂O)₅(OH)²⁺」。その下は3列3行に分かれ、第1列は0.10、−x、0.10 − x、第2列はほぼ0、+x、x、第3列は0、+x、xである。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Substituting the expressions for the equilibrium concentrations into the equation for the ionization constant yields:

平衡濃度を表す式を電離定数の式に代入すると、

K_{a} = \frac{[H_{3} O^{+}] [Al {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+}]}{[Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+}]}

= \frac{(x) (x)}{0.10 - x} = 1.4 \times 10^{−5}

Assuming x << 0.10 and solving the simplified equation gives:

x << 0.10と仮定して、簡単にした式を解くと、

x = 1.2 \times 10^{−3} M

The ICE table defined x as equal to the hydronium ion concentration, and so the pH is calculated to be

ICE表ではxをオキソニウムイオン濃度と等しいものとして定義したので、pHは次のように計算される。

[H_{3} O^{+}] = 0 + x = 1.2 \times 10^{−3} M

pH = −log [H_{3} O^{+}] = 2.92 (an acidic solution)

pH = −log [H_{3} O^{+}] = 2.92 (酸性の溶液)

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What is

[Al {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+}]

in a 0.15-M solution of Al(NO₃)₃ that contains enough of the strong acid HNO₃ to bring [H₃O⁺] to 0.10 M?

0.15 MのAl(NO₃)₃水溶液に、[H₃O⁺]を0.10 Mにするのに十分な強酸HNO₃が含まれているとき、

[Al {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+}]

はいくらか。

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

The ions composing salts may possess acidic or basic character, ionizing when dissolved in water to yield acidic or basic solutions. Acidic cations are typically the conjugate partners of weak bases, and basic anions are the conjugate partners of weak acids. Many metal ions bond to water molecules when dissolved to yield complex ions that may function as acids.

塩を構成するイオンには酸性や塩基性を持つものがあり、水に溶けると電離して酸性または塩基性の溶液を生じる。酸性の陽イオンは、通常、弱塩基の共役の相手であり、塩基性の陰イオンは弱酸の共役の相手である。多くの金属イオンは、溶けたときに水分子と結合して錯イオンを作り、その錯イオンが酸として働く場合がある。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 69–71練習問題 69–71

Exercise 69問題 69

Determine whether aqueous solutions of the following salts are acidic, basic, or neutral:

次の塩の水溶液が、酸性、塩基性、中性のいずれになるかを判定しなさい。

(a) Al(NO₃)₃

(b) RbI

(d) CH₃NH₃Br

Exercise 70問題 70

Determine whether aqueous solutions of the following salts are acidic, basic, or neutral:

次の塩の水溶液が、酸性、塩基性、中性のいずれになるかを判定しなさい。

(a) FeCl₃

(b) K₂CO₃

(d) KClO₄

Solution解き方

(a) acidic; (b) basic; (c) acidic; (d) neutral

(a) 酸性；(b) 塩基性；(c) 酸性；(d) 中性

Exercise 71問題 71

Novocaine, C₁₃H₂₁O₂N₂Cl, is the salt of the base procaine and hydrochloric acid. The ionization constant for procaine is 7

\times

10⁻⁶. Is a solution of novocaine acidic or basic? What are [H₃O⁺], [OH⁻], and pH of a 2.0% solution by mass of novocaine, assuming that the density of the solution is 1.0 g/mL.

ノボカインC₁₃H₂₁O₂N₂Clは、塩基であるプロカインと塩酸からなる塩である。プロカインの電離定数は7

\times

10⁻⁶である。ノボカイン水溶液は酸性か塩基性か。溶液の密度を1.0 g/mLと仮定し、ノボカインの質量パーセント濃度2.0%の溶液について、[H₃O⁺]、[OH⁻]、pHを求めなさい。

第14章酸塩基平衡

The Ionization of Hydrated Metal Ions水和金属イオンの電離

Hydrolysis of [Al(H2O)6]3+[Al(H2O)6]3+の加水分解

Solution解法

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Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Hydrolysis of [Al(H₂O)₆]³⁺[Al(H₂O)₆]³⁺の加水分解