プリンキピア

第15章その他の反応の平衡

15.1 Precipitation and Dissolution15.1 沈殿と溶解

Learning Objectives学習目標

By the end of this section, you will be able to:
この節を学び終えると、次のことができるようになる。
  • Write chemical equations and equilibrium expressions representing solubility equilibria
    溶解平衡を表す化学反応式と平衡の式を書く。
  • Carry out equilibrium computations involving solubility, equilibrium expressions, and solute concentrations
    溶解度、平衡の式、溶質濃度が関わる平衡計算を行う。
Solubility equilibria are established when the dissolution and precipitation of a solute species occur at equal rates. These equilibria underlie many natural and technological processes, ranging from tooth decay to water purification. An understanding of the factors affecting compound solubility is, therefore, essential to the effective management of these processes. This section applies previously introduced equilibrium concepts and tools to systems involving dissolution and precipitation.
英語のヒント
溶質となる化学種の溶解と沈殿が同じ速度で起こると、溶解平衡が成立する。この平衡は、虫歯から水の浄化に至るまで、自然界や技術における多くの過程の基礎となっている。したがって、これらの過程を効果的に制御するには、化合物の溶解度に影響する因子を理解することが不可欠である。この節では、すでに導入した平衡の概念や手法を、溶解と沈殿を伴う系に適用する。

The Solubility Product溶解度積

Recall from the chapter on solutions that the solubility of a substance can vary from essentially zero (insoluble or sparingly soluble) to infinity (miscible). A solute with finite solubility can yield a saturated solution when it is added to a solvent in an amount exceeding its solubility, resulting in a heterogeneous mixture of the saturated solution and the excess, undissolved solute. For example, a saturated solution of silver chloride is one in which the equilibrium shown below has been established.
英語のヒント
溶液の章で学んだように、物質の溶解度は、実質的にゼロ(不溶性または難溶性)から無限大(任意の割合で混ざる)まで変わりうることを思い出そう。溶解度が有限の溶質を、その溶解度を超える量だけ溶媒に加えると、飽和溶液を生じることがある。その結果、飽和溶液と、溶けずに残った過剰の溶質との不均一混合物となる。たとえば、塩化銀の飽和溶液は、次に示す平衡が成立している溶液である。
AgCl(s)⇌precipitationdissolutionAg+(aq)+Cl−(aq)
AgCl(s)⇌沈殿溶解Ag+(aq)+Cl−(aq)
In this solution, an excess of solid AgCl dissolves and dissociates to produce aqueous Ag+ and Cl– ions at the same rate that these aqueous ions combine and precipitate to form solid AgCl (Figure 15.2). Because silver chloride is a sparingly soluble salt, the equilibrium concentration of its dissolved ions in the solution is relatively low.
英語のヒント
この溶液では、過剰の固体AgClが溶解し、解離して水溶液中にAg+イオンとCl–イオンを生じる速度と、これらの水溶液中のイオンが結合し、沈殿して固体AgClを形成する速度とが等しい(図15.2)。塩化銀は難溶性の塩なので、溶液中に溶けているイオンの平衡濃度は比較的低い。
二つのビーカーがあり、その間に双方向の矢印がある。どちらにも、透明で無色の液体が半分強入っている。左のビーカーには、緑色の球と、それより少し大きい灰色の球が交互に並んだ立方体構造がある。その外側には、11個の空間充填模型が均等に分布している。それぞれは、中心の赤い球に二つの小さい白い球が折れ線形に結合したものである。 右のビーカーでは、緑と灰色の球はもはや立方体構造につながっていない。緑の球9個、灰色の球10個、赤と白の分子11個が均一に混ざり、ビーカーの液体全体に分布している。

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

Figure 15.2図 15.2
Silver chloride is a sparingly soluble ionic solid. When it is added to water, it dissolves slightly and produces a mixture consisting of a very dilute solution of Ag+ and Cl– ions in equilibrium with undissolved silver chloride.
塩化銀は難溶性のイオン性固体である。水に加えるとわずかに溶け、Ag+イオンとCl–イオンの非常に薄い溶液が、溶け残った塩化銀と平衡にある混合物を生じる。
The equilibrium constant for solubility equilibria such as this one is called the solubility product constant, Ksp, in this case
このような溶解平衡の平衡定数を、溶解度積定数Kspと呼ぶ。この場合は、次のようになる。
AgCl(s)⇌Ag+(aq)+Cl−(aq)Ksp=[Ag+(aq)][Cl−(aq)]
Recall that only gases and solutes are represented in equilibrium constant expressions, so the Ksp does not include a term for the undissolved AgCl. A listing of solubility product constants for several sparingly soluble compounds is provided in Appendix J.
平衡定数の式に含めるのは気体と溶質だけであることを思い出そう。したがって、Kspには溶け残ったAgClの項を含めない。いくつかの難溶性化合物の溶解度積定数を、付録Jにまとめてある。
Example 15.1例題 15.1

Writing Equations and Solubility Products反応式と溶解度積を書く

Write the dissolution equation and the solubility product expression for each of the following slightly soluble ionic compounds:
次の難溶性イオン化合物それぞれについて、溶解の反応式と溶解度積の式を書きなさい。
(a) AgI, silver iodide, a solid with antiseptic properties
英語のヒント
(a) AgI、ヨウ化銀。消毒作用を持つ固体。
(b) CaCO3, calcium carbonate, the active ingredient in many over-the-counter chewable antacids
英語のヒント
(b) CaCO3、炭酸カルシウム。市販されている、かんで服用する多くの制酸薬の有効成分。
(c) Mg(OH)2, magnesium hydroxide, the active ingredient in Milk of Magnesia
(c) Mg(OH)2、水酸化マグネシウム。ミルク・オブ・マグネシアの有効成分。
(d) Mg(NH4)PO4, magnesium ammonium phosphate, an essentially insoluble substance used in tests for magnesium
(d) Mg(NH4)PO4、リン酸マグネシウムアンモニウム。マグネシウムの検出に用いる、実質的に不溶性の物質。
(e) Ca5(PO4)3OH, the mineral apatite, a source of phosphate for fertilizers
(e) Ca5(PO4)3OH、鉱物のアパタイト。肥料に用いるリン酸塩の供給源。

Solution解き方

(a)AgI(s)⇌Ag+(aq)+I−(aq)Ksp=[Ag+][I−](b)CaCO3(s)⇌Ca2+(aq)+CO32−(aq)Ksp=[Ca2+][CO32−](c)Mg(OH)2(s)⇌Mg2+(aq)+2OH−(aq)Ksp=[Mg2+][OH−]2(d)Mg(NH4)PO4(s)⇌Mg2+(aq)+NH4+(aq)+PO43−(aq)Ksp=[Mg2+][NH4+][PO43−](e)Ca5(PO4)3OH(s)⇌5Ca2+(aq)+3PO43−(aq)+OH−(aq)Ksp=[Ca2+]5[PO43−]3[OH−]
(a)AgI(s)⇌Ag+(aq)+I−(aq)Ksp=[Ag+][I−](b)CaCO3(s)⇌Ca2+(aq)+CO32−(aq)Ksp=[Ca2+][CO32−](c)Mg(OH)2(s)⇌Mg2+(aq)+2OH−(aq)Ksp=[Mg2+][OH−]2(d)Mg(NH4)PO4(s)⇌Mg2+(aq)+NH4+(aq)+PO43−(aq)Ksp=[Mg2+][NH4+][PO43−](e)Ca5(PO4)3OH(s)⇌5Ca2+(aq)+3PO43−(aq)+OH−(aq)Ksp=[Ca2+]5[PO43−]3[OH−]

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Write the dissolution equation and the solubility product for each of the following slightly soluble compounds:
次の難溶性化合物それぞれについて、溶解の反応式と溶解度積を書きなさい。
(a) BaSO4
(a) BaSO4
(b) Ag2SO4
(b) Ag2SO4
(c) Al(OH)3
(c) Al(OH)3
(d) Pb(OH)Cl
(d) Pb(OH)Cl

Ksp and SolubilityKspと溶解度

The Ksp of a slightly soluble ionic compound may be simply related to its measured solubility provided the dissolution process involves only dissociation and solvation, for example:
英語のヒント
難溶性イオン化合物のKspと実測した溶解度との間には、溶解過程が解離と溶媒和だけを含むという条件のもとで、単純な関係が成り立つ場合がある。たとえば、次のような場合である。
MpXq(s)⇌pMm+(aq)+qXn−(aq)
For cases such as these, one may derive Ksp values from provided solubilities, or vice-versa. Calculations of this sort are most conveniently performed using a compound’s molar solubility, measured as moles of dissolved solute per liter of saturated solution.
英語のヒント
このような場合には、与えられた溶解度からKspの値を導くことも、その逆もできる。この種の計算は、化合物のモル溶解度を使うと最も扱いやすい。モル溶解度は、飽和溶液1リットルあたりの溶けている溶質のモル数として測定される。
Example 15.2例題 15.2

Calculation of Ksp from Equilibrium Concentrations平衡濃度からKspを計算する

Fluorite, CaF2, is a slightly soluble solid that dissolves according to the equation:
蛍石CaF2は難溶性の固体で、次の式に従って溶解する。
CaF2(s)⇌Ca2+(aq)+2F−(aq)
The concentration of Ca2+ in a saturated solution of CaF2 is 2.15 × 10–4 M. What is the solubility product of fluorite?
CaF2の飽和溶液中のCa2+濃度は2.15 × 10–4 Mである。蛍石の溶解度積はいくらか。

Solution解き方

According to the stoichiometry of the dissolution equation, the fluoride ion molarity of a CaF2 solution is equal to twice its calcium ion molarity:
溶解の反応式の化学量論に従うと、CaF2溶液のフッ化物イオンのモル濃度は、カルシウムイオンのモル濃度の2倍に等しい。
[ F−]=(2molF−/1molCa2+)=(2)(2.15×10−4M)=4.30×10−4M
Substituting the ion concentrations into the Ksp expression gives
英語のヒント
イオン濃度をKspの式に代入すると、次のようになる。
Ksp=[Ca2+][F−]2=(2.15×10−4)(4.30×10−4)2=3.98×10−11

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In a saturated solution of Mg(OH)2, the concentration of Mg2+ is 1.31 × 10–4 M. What is the solubility product for Mg(OH)2?
Mg(OH)2の飽和溶液中のMg2+濃度は1.31 × 10–4 Mである。Mg(OH)2の溶解度積はいくらか。
Mg(OH)2(s)⇌Mg2+(aq)+2OH−(aq)
Example 15.3例題 15.3

Determination of Molar Solubility from KspKspからモル溶解度を求める

The Ksp of copper(I) bromide, CuBr, is 6.3 × 10–9. Calculate the molar solubility of copper bromide.
臭化銅(I)CuBrのKspは6.3 × 10–9である。臭化銅のモル溶解度を計算しなさい。

Solution解き方

The dissolution equation and solubility product expression are
溶解の反応式と溶解度積の式は、次のとおりである。
CuBr(s)⇌Cu+(aq)+Br−(aq)
Ksp=[Cu+][Br−]
Following the ICE approach to this calculation yields the table
この計算にICE法を用いると、次の表が得られる。
この表は、大きく二つの列と4行からなる。第1列の第1行に見出しはなく、その下には順に、初濃度(M)、変化量(M)、平衡濃度(M)が並ぶ。第2列の見出しは「CuBr ⇌ Cu⁺ + Br⁻」である。 第2列の下は3行3列に細分される。第1列は空欄、第2列には順に0、+x、x、第3列にも順に0、+x、xが並ぶ。

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

Substituting the equilibrium concentration terms into the solubility product expression and solving for x yields
平衡濃度を表す項を溶解度積の式に代入し、xについて解くと、次のようになる。
Ksp=[Cu+][Br−]
6.3×10−9=(x)(x)=x2
x=(6.3×10−9)=7.9×10−5M
Since the dissolution stoichiometry shows one mole of copper(I) ion and one mole of bromide ion are produced for each moles of Br dissolved, the molar solubility of CuBr is 7.9 × 10–5 M.
溶解の化学量論から、溶けたBrの各1モルに対して、銅(I)イオン1モルと臭化物イオン1モルが生じることが分かるので、CuBrのモル溶解度は7.9 × 10–5 Mである。

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The Ksp of AgI is 1.5 × 10–16. Calculate the molar solubility of silver iodide.
AgIのKspは1.5 × 10–16である。ヨウ化銀のモル溶解度を計算しなさい。
Example 15.4例題 15.4

Determination of Molar Solubility from KspKspからモル溶解度を求める

The Ksp of calcium hydroxide, Ca(OH)2, is 1.3 × 10–6. Calculate the molar solubility of calcium hydroxide.
水酸化カルシウムCa(OH)2のKspは1.3 × 10–6である。水酸化カルシウムのモル溶解度を計算しなさい。

Solution解き方

The dissolution equation and solubility product expression are
溶解の反応式と溶解度積の式は、次のとおりである。
Ca(OH)2(s)⇌Ca2+(aq)+2OH−(aq)
Ksp=[Ca2+][OH−]2
The ICE table for this system is
この系のICE表は次のようになる。
この表は、大きく二つの列と4行からなる。第1列の第1行に見出しはなく、その下には順に、初濃度(M)、変化量(M)、平衡濃度(M)が並ぶ。第2列の見出しは「Ca(OH)₂ ⇌ Ca²⁺ + 2OH⁻」である。 第2列の下は3行3列に細分される。第1列は空欄、第2列には順に0、+x、x、第3列には順に0、+2x、2xが並ぶ。

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Substituting terms for the equilibrium concentrations into the solubility product expression and solving for x gives
平衡濃度を表す項を溶解度積の式に代入し、xについて解くと、次のようになる。
Ksp=[Ca2+][OH−]2
1.3×10−6​=(x)(2x)2=(x)(4x2)=4x3
x=1.3×10−643=6.9×10−3M
As defined in the ICE table, x is the molarity of calcium ion in the saturated solution. The dissolution stoichiometry shows a 1:1 relation between moles of calcium ion in solution and moles of compound dissolved, and so, the molar solubility of Ca(OH)2 is 6.9 × 10–3 M.
ICE表で定義したように、xは飽和溶液中のカルシウムイオンのモル濃度である。溶解の化学量論は、溶液中のカルシウムイオンのモル数と溶けた化合物のモル数が1:1の関係にあることを示している。したがって、Ca(OH)2のモル溶解度は6.9 × 10–3 Mである。

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The Ksp of PbI2 is 1.4 × 10–8. Calculate the molar solubility of lead(II) iodide.
PbI2のKspは1.4 × 10–8である。ヨウ化鉛(II)のモル溶解度を計算しなさい。
Example 15.5例題 15.5

Determination of Ksp from Gram Solubility質量で表した溶解度からKspを求める

Many of the pigments used by artists in oil-based paints (Figure 15.3) are sparingly soluble in water. For example, the solubility of the artist’s pigment chrome yellow, PbCrO4, is 4.6 × 10–6 g/L. Determine the solubility product for PbCrO4.
英語のヒント
画家が油絵具に使う顔料(図15.3)の多くは、水に溶けにくい。たとえば、絵画用顔料クロムイエローPbCrO4の溶解度は4.6 × 10–6 g/Lである。PbCrO4の溶解度積を求めなさい。
Image omitted because its reuse rights could not be verified.権利の確認ができないため画像を割愛。
Figure 15.3図 15.3
Oil paints contain pigments that are very slightly soluble in water. In addition to chrome yellow (PbCrO4), examples include Prussian blue (Fe7(CN)18), the reddish-orange color vermilion (HgS), and green color veridian (Cr2O3). (credit: Sonny Abesamis)
油絵具には、水にごくわずかしか溶けない顔料が含まれる。その例には、クロムイエロー(PbCrO4)のほか、プルシアンブルー(Fe7(CN)18)、赤みを帯びた橙色のバーミリオン(HgS)、緑色のビリジアン(Cr2O3)がある。(出典:Sonny Abesamis)

Solution解き方

Before calculating the solubility product, the provided solubility must be converted to molarity:
英語のヒント
溶解度積を計算する前に、与えられた溶解度をモル濃度に換算しなければならない。
[ PbCrO4 ]=4.6×10−6g PbCrO41L×1mol PbCrO4323.2g PbCrO4=1.4×10−8mol PbCrO41L=1.4×10−8M
The dissolution equation for this compound is
この化合物の溶解の反応式は、次のとおりである。
PbCrO4(s)⇌Pb2+(aq)+CrO42−(aq)
The dissolution stoichiometry shows a 1:1 relation between the molar amounts of compound and its two ions, and so both [Pb2+] and [CrO42−] are equal to the molar solubility of PbCrO4:
溶解の化学量論は、化合物の物質量と、その二種類のイオンそれぞれの物質量が1:1の関係にあることを示す。したがって、[Pb2+]と[CrO42−]は、いずれもPbCrO4のモル溶解度に等しい。
[Pb2+]=[CrO42−]=1.4×10−8M
Ksp = [Pb2+][CrO42−] = (1.4 × 10–8)(1.4 × 10–8) = 2.0 × 10–16
Ksp = [Pb2+][CrO42−] = (1.4 × 10–8)(1.4 × 10–8) = 2.0 × 10–16

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The solubility of TlCl [thallium(I) chloride], an intermediate formed when thallium is being isolated from ores, is 3.12 grams per liter at 20 °C. What is its solubility product?
英語のヒント
TlCl[塩化タリウム(I)]は、鉱石からタリウムを分離するときに生じる中間体であり、その溶解度は20 °Cで1リットルあたり3.12グラムである。この物質の溶解度積はいくらか。
Example 15.6例題 15.6

Calculating the Solubility of Hg2Cl2Hg2Cl2の溶解度を計算する

Calomel, Hg2Cl2, is a compound composed of the diatomic ion of mercury(I), Hg22+, and chloride ions, Cl–. Although most mercury compounds are now known to be poisonous, eighteenth-century physicians used calomel as a medication. Their patients rarely suffered any mercury poisoning from the treatments because calomel has a very low solubility, as suggested by its very small Ksp:
英語のヒント
カロメルHg2Cl2は、二原子からなる水銀(I)イオンHg22+,と、塩化物イオンCl–からなる化合物である。現在では、水銀化合物の多くに毒性があると知られているが、18世紀の医師たちはカロメルを薬として使っていた。その治療で患者が水銀中毒になることはめったになかった。非常に小さいKspが示すように、カロメルの溶解度がきわめて低いためである。
Hg2Cl2(s)⇌Hg22+(aq)+2Cl−(aq)Ksp=1.1×10−18
Calculate the molar solubility of Hg2Cl2.
Hg2Cl2のモル溶解度を計算しなさい。

Solution解き方

The dissolution stoichiometry shows a 1:1 relation between the amount of compound dissolved and the amount of mercury(I) ions, and so the molar solubility of Hg2Cl2 is equal to the concentration of Hg22+ ions
溶解の化学量論は、溶けた化合物の物質量と水銀(I)イオンの物質量が1:1の関係にあることを示す。したがって、Hg2Cl2のモル溶解度は、Hg22+イオンの濃度に等しい。
Following the ICE approach results in
ICE法を用いると、次のようになる。
この表は、大きく二つの列と4行からなる。第1列の第1行に見出しはなく、その下には順に、初濃度(M)、変化量(M)、平衡濃度(M)が並ぶ。第2列の見出しは「Hg₂Cl₂ ⇌ Hg₂²⁺ + 2Cl⁻」である。 第2列の下は3行3列に細分される。第1列は空欄、第2列には順に0、+x、x、第3列には順に0、+2x、2xが並ぶ。

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Substituting the equilibrium concentration terms into the solubility product expression and solving for x gives
平衡濃度を表す項を溶解度積の式に代入し、xについて解くと、次のようになる。
Ksp=[Hg22+][Cl−]2
1.1×10−18=(x)(2x)2
4x3=1.1×10−18
x=(1.1×10−184)3=6.5×10−7M
[Hg22+]=6.5×10−7M=6.5×10−7M
[Cl−]=2x=2(6.5×10−7)=1.3×10−6M
The dissolution stoichiometry shows the molar solubility of Hg2Cl2 is equal to [Hg22+], or 6.5 × 10–7 M.
溶解の化学量論から、Hg2Cl2のモル溶解度は[Hg22+],、すなわち6.5 × 10–7 Mに等しいことが分かる。

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Determine the molar solubility of MgF2 from its solubility product: Ksp = 6.4 × 10–9.
MgF2の溶解度積Ksp = 6.4 × 10–9から、そのモル溶解度を求めなさい。