化学化学平衡無機物質物質の状態・構成・変化理科

5分で分かる「共役塩基」酸の強さと溶液中で生成するイオンとの関係は?京大卒の研究者がわかりやすく解説!

よぉ、桜木健二だ。「酸」という言葉を聞いたことがある人は多いだろう。では酸が水に溶けたとき、どのように変化するか知っているか。今日学習する「共役塩基」は酸が水に溶けたときに水素イオンが外れることで生成するイオンだ。
水中で酸は水素イオンと共役塩基に変換される。そして、この共役塩基に変換される量によって酸の大きさは定義されるんだ。今回は化学平衡で重要な項目について学び、その後に酸と共役塩基の化学平衡を学んでいこう。化学に詳しいライター珈琲マニアといっしょに解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/珈琲マニア

京都大学で化学を学び、現在はメーカーの研究員として勤務。学生時代の専門は物理化学であり、化学現象の物理的な理論を説明することが得意。

1.化学平衡と平衡定数

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今回学習する共役塩基は液体中で酸が水素イオン(プロトン)を放出する現象に関連する用語です。酸のプロトン放出は化学平衡の一種であり、酸のプロトン放出と同時に共役塩基とプロトンの再結合も起こります。

共役塩基を学ぶにあたって、まずは化学平衡に関係する熱力学を学んでいきましょう。まずはギブズエネルギーや化学ポテンシャルを学び、その後に平衡定数の定義について学びます。そして実際の液体における平衡定数を定義するために必要な「活量」について学んでいきましょう。

1-1.ギブズエネルギーと化学ポテンシャル

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化学平衡とは「反応物→生成物」の変化量と「反応物←生成物」の逆方向の変化量が同じ状態です。一方で反応によっては反応物→生成物の変化量が多い、すなわち反応が進むものもあれば、反応物←生成物が多い、つまり反応がほとんど進まない、もしくは逆反応が進むものもあります。ではこれらの反応の差はなぜ生じるのでしょうか。

ここで重要な値が反応物、生成物の化学ポテンシャルの差から求められる反応ギブズエネルギーです。ギブズエネルギーとは各系が持っているエネルギーの一種であり「反応物よりも生成物のギブズエネルギーが小さければ反応は自発的に進む」というルールが熱力学より導かれます。そして化学ポテンシャルとは物質量の変化に対するギブズエネルギーの変化量です。

反応ギブズエネルギーの値が正、負、ゼロのいずれかによって反応の向きが決まります。反応ギブズエネルギーが負ならば正方向の反応が進み、正ならば逆方向の反応が進む。そして反応ギブズエネルギーがゼロのときに平衡状態となります。

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