電離定数とは？何かを徹底的に解説してみた！

化学平衡の種類の一つに「電離平衡」ってのがあります。

弱酸とか弱塩基が完全に電離しないことは知っている人も多いでしょう。

例えば、弱酸は、

CH3COOH⇆CH3COO^–+H⁺

こういう平衡状態にあります。この酢酸が電離する反応があったとします。この時両辺ともに物質が残りますよね。

これが、強酸のHClだったらどうでしょうか？

HCl→H⁺+Cl^–

となり、矢印が一方通行ですよね。このように、反応後右辺しか残らない反応を不可逆反応と言います。

このように、弱酸弱塩基の化学平衡を電離平衡と言います。今日は、その電離平衡オリジナルの化学平衡定数である電離平衡を紹介していきます。

電離定数とは？

別に、死ぬほど新しいことを学ぶわけではないので、身構える必要はないです。平衡定数の一種です。

弱酸の電離定数

まず、例で酢酸を出そうと思います。酢酸の平衡ってこんな式ですよね。

CH3COOH⇆CH3COO^–+H⁺

この電離の反応をスラスラかくと思います。

でも、実はこの反応式って厳密な式じゃないんですよ。というのも、酸の電離というのは、このように

水中で水分子にH⁺を投げてオキソニウムイオンH₃O⁺を作って電離しているんです。なので正式な平衡の式は、

CH₃COOH+H₂O⇆CH₃COO^–+H₃O⁺

このようになっているんです。

つまり、平衡定数は、

$$K=\frac{[CH_3COO^-][H_3O^+]}{[CH_3COOH][H_2O]}$$

になるんですよ。そして、こっからがポイントなんで注目しててくださいよ！！

ここでいう、水のモル濃度なんですが、

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でも書きましたが、水のモル濃度はベラボーにでかいんですよ。例えば、弱酸の[H+]なんてものは、

電離する云々の界隈では、ほとんど水のモル濃度は定数として扱っていいんです。[H₂O]は定数です。そして、Kも定数ですよね。「平衡定数」って名前をつけられているくらい定数です。

なので、

$$K=\frac{[CH_3COO^-][H_3O^+]}{[CH_3COOH][H_2O]}$$

に対して、両辺に[H₂O]を掛けてしまえば、

$$K[H_2O]=\frac{[CH_3COO^-][H_3O^+]}{[CH_3COOH]}$$

左辺だけに定数をまとめることができるようになります。この、K[H₂O]に新しい名前をつけます。それがKaです。

ちなみに、このaは酸のacidから来ています。

$$Ka=\frac{[CH_3COO^-][H_3O^+]}{[CH_3COOH]}$$

さらに、[H₃O⁺]＝[H⁺]ですよね。なぜならH+を受け取ったH₂OがH₃O⁺になるんだから、H⁺よりも少ないことも多いこともないはずです。

なのでこれを代入することで、

$$Ka=\frac{[CH_3COO^-][H^+]}{[CH_3COOH]}$$

になっているんです。

これが酸の電離定数です。ちなみに添字のaは酸を表す英語のacidの頭文字から来ています！

弱塩基の電離定数

次に弱塩基の電離定数です。アンモニアを例にあげますね！

まず、アンモニアの場合はこのように、水がアンモニアに水素イオンを投げているわけですよ。すると、アンモニウムイオンができるのです。

NH₃+H₂O⇆NH₄⁺+OH^–

になります。酸よりも考えやすいと思います。これの平衡定数はこうなります。

$$K=\frac{[NH_4^+][OH^-]}{[NH_3][H_2O]}$$

となります。そして、さっきと同じように[H_2O]=一定ということを使って、両辺に[H_2O]を掛けると、

$$K[H_2O]=\frac{[NH_4^+][OH^-]}{[NH_3]}$$

K[H₂O]は定数なので、Kbという新たな定数の名前をつけます。ちなみにbは塩基を表す英語のbaseの頭文字から来ています。

最後に

どうでしたか？電離定数は使ってなんぼです。電離定数はpHを求めるときに非常に重要な役割を果たします。なので、きっちり説明しておきました。

このままの流れで電離平衡でpHを求める計算方法を学んでいってください！