第14章酸塩基平衡

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

An acid that contains more than one ionizable proton is a polyprotic acid. These acids undergo stepwise ionization reactions involving the transfer of single protons. The ionization constants for polyprotic acids decrease with each subsequent step; these decreases typically are large enough to permit simple equilibrium calculations that treat each step separately.

電離できるプロトンを二つ以上持つ酸を、多価酸という。これらの酸は、一つずつプロトンを移す段階的な電離反応を起こす。多価酸の電離定数は、後の段階ほど小さくなる。通常、その減少は十分に大きいため、各段階を別々に扱う簡単な平衡計算ができる。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 72–76練習問題 72–76

Exercise 72問題 72

Which of the following concentrations would be practically equal in a calculation of the equilibrium concentrations in a 0.134-M solution of H₂CO₃, a diprotic acid:

[H_{3} O^{+}],

[OH⁻], [H₂CO₃],

[{HCO}_{3}^{−}],

[{CO}_{3}^{2−}] ?

No calculations are needed to answer this question.

二価酸H₂CO₃の0.134 M水溶液の平衡濃度を計算するとき、次のうちどの濃度が実質的に等しくなるか。

[H_{3} O^{+}],

、[OH⁻]、[H₂CO₃]、

[{HCO}_{3}^{−}],

、

[{CO}_{3}^{2−}] ?

。この問いには計算せずに答えられる。

Solution解き方

[H₃O⁺] and

[{HCO}_{3}^{−}]

are practically equal

[H₃O⁺]と

[{HCO}_{3}^{−}]

は実質的に等しい。

Exercise 73問題 73

Calculate the concentration of each species present in a 0.050-M solution of H₂S.

0.050 MのH₂S水溶液中に存在する各化学種の濃度を計算しなさい。

Exercise 74問題 74

Calculate the concentration of each species present in a 0.010-M solution of phthalic acid, C₆H₄(CO₂H)₂.

\begin{array}{l} C_{6} H_{4} {({CO}_{2} H)}_{2} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + C_{6} H_{4} ({CO}_{2} H) {({CO}_{2})}^{−} (a q) K_{a} = 1.1 \times 10^{−3} \\ C_{6} H_{4} ({CO}_{2} H) ({CO}_{2})^{-} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + C_{6} H_{4} {({CO}_{2})}_{2}^{2−} (a q) K_{a} = 3.9 \times 10^{−6} \end{array}

0.010 Mフタル酸C₆H₄(CO₂H)₂水溶液中に存在する各化学種の濃度を計算しなさい。

\begin{array}{l} C_{6} H_{4} {({CO}_{2} H)}_{2} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + C_{6} H_{4} ({CO}_{2} H) {({CO}_{2})}^{−} (a q) K_{a} = 1.1 \times 10^{−3} \\ C_{6} H_{4} ({CO}_{2} H) ({CO}_{2})^{-} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + C_{6} H_{4} {({CO}_{2})}_{2}^{2−} (a q) K_{a} = 3.9 \times 10^{−6} \end{array}

Solution解き方

[C₆H₄(CO₂H)₂] 7.2

\times

10⁻³ M, [C₆H₄(CO₂H)(CO₂)⁻] = [H₃O⁺] 2.8

\times

10⁻³ M,

[C_{6} H_{4} {({CO}_{2})}_{2}^{2−}]

3.9

\times

10⁻⁶ M, [OH⁻] 3.6

\times

10⁻¹² M

[C₆H₄(CO₂H)₂] 7.2

\times

10⁻³ M, [C₆H₄(CO₂H)(CO₂)⁻] = [H₃O⁺] 2.8

\times

10⁻³ M,

[C_{6} H_{4} {({CO}_{2})}_{2}^{2−}]

3.9

\times

10⁻⁶ M, [OH⁻] 3.6

\times

10⁻¹² M

Exercise 75問題 75

Salicylic acid, HOC₆H₄CO₂H, and its derivatives have been used as pain relievers for a long time. Salicylic acid occurs in small amounts in the leaves, bark, and roots of some vegetation (most notably historically in the bark of the willow tree). Extracts of these plants have been used as medications for centuries. The acid was first isolated in the laboratory in 1838.

英語のヒント

サリチル酸HOC₆H₄CO₂Hとその誘導体は、長い間、鎮痛薬として使われてきた。サリチル酸は、一部の植物の葉、樹皮、根に少量含まれる（歴史的に特に有名なのはヤナギの樹皮である）。これらの植物の抽出物は、何世紀にもわたって薬として使われてきた。この酸が初めて実験室で単離されたのは1838年である。

(a) Both functional groups of salicylic acid ionize in water, with K_a = 1.0

\times

10⁻³ for the—CO₂H group and 4.2

\times

10⁻¹³ for the −OH group. What is the pH of a saturated solution of the acid (solubility = 1.8 g/L).

(a) サリチル酸の二つの官能基は、どちらも水中で電離し、−CO₂H基のK_aは1.0

\times

10⁻³、−OH基では4.2

\times

10⁻¹³である。この酸の飽和水溶液（溶解度 = 1.8 g/L）のpHはいくらか。

(b) Aspirin was discovered as a result of efforts to produce a derivative of salicylic acid that would not be irritating to the stomach lining. Aspirin is acetylsalicylic acid, CH₃CO₂C₆H₄CO₂H. The −CO₂H functional group is still present, but its acidity is reduced, K_a = 3.0

\times

10⁻⁴. What is the pH of a solution of aspirin with the same concentration as a saturated solution of salicylic acid (See Part a).

英語のヒント

(b) アスピリンは、胃の内壁を刺激しないサリチル酸誘導体を作ろうとする取り組みから発見された。アスピリンはアセチルサリチル酸CH₃CO₂C₆H₄CO₂Hである。−CO₂H官能基は残っているが、酸性は弱まり、K_a = 3.0

\times

10⁻⁴となる。サリチル酸の飽和水溶液と同じ濃度のアスピリン水溶液のpHはいくらか（(a)参照）。

Exercise 76問題 76

The ion HTe⁻ is an amphiprotic species; it can act as either an acid or a base.

HTe⁻イオンは両性の化学種であり、酸としても塩基としても働く。

(a) What is K_a for the acid reaction of HTe⁻ with H₂O?

(a) HTe⁻がH₂Oと酸として反応するときのK_aはいくらか。

(b) What is K_b for the reaction in which HTe⁻ functions as a base in water?

(b) HTe⁻が水中で塩基として働く反応のK_bはいくらか。

(c) Demonstrate whether or not the second ionization of H₂Te can be neglected in the calculation of [HTe⁻] in a 0.10 M solution of H₂Te.

Solution解き方

(a)

K_{a2} = 1.5 \times 10^{−11};

(b)

K_{b} = 4.3 \times 10^{−12};

(c)

\frac{[{Te}^{2−}] [H_{3} O^{+}]}{[{HTe}^{−}]} = \frac{(x) (0.0141 + x)}{(0.0141 - x)} \approx \frac{(x) (0.0141)}{0.0141} = 1.5 × 10^{−11}

Solving for x gives 1.5

\times

10⁻¹¹ M. Therefore, compared with 0.014 M, this value is negligible (1.1

\times

10⁻⁷%).

(a)

K_{a2} = 1.5 \times 10^{−11};

　(b)

K_{b} = 4.3 \times 10^{−12};

　(c)

\frac{[{Te}^{2−}] [H_{3} O^{+}]}{[{HTe}^{−}]} = \frac{(x) (0.0141 + x)}{(0.0141 - x)} \approx \frac{(x) (0.0141)}{0.0141} = 1.5 × 10^{−11}

。xについて解くと1.5

\times

10⁻¹¹ Mとなる。したがって、この値は0.014 Mに比べて無視できる（1.1

\times

10⁻⁷%）。

diprotic acid

二価酸

acid containing two ionizable hydrogen atoms per molecule

1分子中に電離できる水素原子を2個持つ酸

diprotic base

二価塩基

base capable of accepting two protons

二つのプロトンを受け取ることのできる塩基

monoprotic acid

一価酸

acid containing one ionizable hydrogen atom per molecule

1分子中に電離できる水素原子を1個持つ酸

stepwise ionization

段階的電離

process in which a polyprotic acid is ionized by losing protons sequentially

多価酸がプロトンを順に失って電離する過程

triprotic acid

三価酸

acid that contains three ionizable hydrogen atoms per molecule

1分子中に電離できる水素原子を3個持つ酸