水溶液を薄めて濃度を下げると弱酸の電離度が上昇する現象を数式を使って説明する

希薄溶液中の弱酸はどうして電離度が高いのか

水溶液を薄めると弱酸の電離度が上昇する現象を考察

強酸の場合と弱酸の場合で希釈したときの電離度の変化はどう異なるのかについて見ていこう!!そろそろハイボールで酔いもいい感じに回ってきたなり~~~ぽよぽよぽよ^^

強酸の場合はものすごく単純である

例えば,0.10 mol/Lの塩酸HCl水溶液1Lを用意する。HClは『HCl→H++Cl-』のように完全電離するので,

この水溶液中の水素イオン濃度[H+]は,無論,0.10 mol/Lである。

では,この水溶液を2倍希釈(2 L水溶液にする)すると水素イオン濃度[H+]はどうなるだろうか?

答えは,0.050 mol/Lとなる。先ほどの半分になる。

水溶液のモル濃度を半分(1/2倍)にすると,水素イオンのモル濃度も半分(1/2倍)になるわけ。

当たり前体操。

では,弱酸の場合も,水溶液のモル濃度を半分(1/2倍)にすると,水素イオンのモル濃度も半分(1/2倍)になるのだろうか?

数式を用いて考察していこう。

弱酸HAの電離度がどのように変化するのかを考察してみる

弱酸CH3COOH 0.10 molを水に溶かして,0.10 mol/Lの酢酸水溶液 1 Lを調製する。

水溶液中で酢酸は次のように電離する。(電離度α,酢酸水溶液のモル濃度C=0.10 mol/L)

電離の様子の表を挿入

よって,酢酸の酸解離定数Kaは,

Ka=C2α2/C(1-α)=Cα2/1-α≒Cα2⇔α=√Ka/C

弱酸の電離のときによくやる,おなじみの式変形ね。

さて,α=√Ka/Cが出てきた。

水溶液のモル濃度は元々C=0.10 mol/Lだったが,2倍希釈して,C=0.050 mol/Lにする。

すると,電離度は,希釈前と希釈後でどのように変化するだろうか?

希釈前の電離度α

α=√Ka/0.10

希釈後の電離度α’

α’=√Ka/0.050=√2×α

希釈前より希釈後の方が√2倍もよく電離することがわかるわ!!!ひえぇぇ~~!!!

というわけで,

希釈することで,電離度は上昇する。希薄溶液では弱酸は電離度に1に近づく。

ということがわかった。実際に,希釈前と希釈後の水素イオン濃度を比較すると,

希釈前の水素イオン濃度[H+]

[H+]=Cα=0.10α ……①

2倍希釈後の水素イオン濃度[H+]

[H+]=Cα’=0.050α’=0.050×√2×α≒0.07α ……②

式①②を比較すると,

2倍希釈をしたにも関わらず,水素イオン濃度は半分になっていないのである!!!

どひゃあああ!!!確かに,2倍希釈して,多少(0.7倍)だけ水素イオン濃度は薄まってるものの,半分(1/2倍)になってないわ!!!希釈して電離度が上がった証拠ね!!!

希釈するとどうして電離度が上昇するのか

希釈するとどうして電離度が上昇するのだろうか?実際に計算で見ていったけれど,理屈はどうなっているのかについて説明するよ!!!!!!!!!!!!!!!!!

水を空気だと置き換えてルシャトリエの法則を考える

これはシンプルな考え方。ルシャトリエの法則を考えると,

水を希釈する=気体の体積を増やす

という発想。

そうすると,気体の体積を増やしたので,中身の各気体成分(ここでいうところの酢酸や酢酸イオンや水素イオン)は薄まる。

なので,薄まらないように濃くなる方向へ平衡が移動するよねという発想だ。これは実にわかりやすい。

酢酸の電離の平衡状態の式とルシャトリエの原理から考える

酢酸の電離の式は,以下のように表すことができる。

CH3COOH+H2O⇄CH3COO-+H3O+

正反応の反応速度定数をk1,反応速度をv1とし,逆反応の反応速度定数をk2,反応速度をv2とする。すると,以下の式が成立する。

v1=k1[CH3COOH][H2O]

v2=k2[CH3COO-][H3O+]

平衡定数Kは,

K=[CH3COO-][H3O+]/[CH3COOH][H2O]

となる。

現在,水溶液中の酢酸の電離は平衡状態であるとすると,v1=v2である。

ここに水を加える(希釈する)。

希釈した瞬間の水溶液中の各物質のモル濃度は,

[CH3COO-]は低下

[H3O+]は低下

[CH3COOH]は低下

[H2O]ほぼ変化なし

となる。水の濃度は希釈前も希釈後もほぼ55.6 mol/Lである。(細かい話が分からない場合は,こちらの記事をご参照ください。)

(簡単に理由を説明すると,希薄溶液なので,水溶液はほぼ水とみなせる。水1 L中には,1000/18=55.6 molの水分子が存在する。水のモル濃度は55.6 mol/Lといえる。酢酸の電離で多少水分子は消費されるがそんなものは鼻くそ程度。なので,希釈前も希釈後も水の濃度はほぼ55.6 mol/Lで一定だという話。)

ということで,希釈という操作を行うことで,希釈直後,

v1>v2

となるのである。そして,徐々にv1の反応速度が低下していき,v2の反応速度が増加して,また元通り,v1=v2となるのである。

ということで,希釈すると平衡が右に移動し,電離度が大きくなるのである。

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ABOUTこの記事をかいた人

ニシジマ

ゆとり世代ど真ん中に爆誕。円周率は3だと信じて疑わない。大学卒業後,予備校で勤務しており,化学を担当。主な業務は,模擬試験作成と入試解説の執筆。大学時代の専攻は物理化学であるが,難解すぎて意味があまりわからない。