5分で分かる「共役酸」塩基が溶けると生成する酸の正体とは？京大卒の研究者が分かりやすくわかりやすく解説！

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。学生時代の専門である物理化学を中心に、様々な化学の分野について知見が豊富なライター。

1.化学平衡

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共役酸は水などの液体に塩基を入れることで生成するイオンで、この共役酸の生成現象は化学平衡の一種です。化学平衡とは化学反応に関連する用語の一つで「反応物から生成物への変化」と「生成物から反応物への変化」が同じ量だけ起こる状態。つまり「見た目では反応が停止した」ように見える状態です。

今回は共役酸を学ぶ前にまず化学平衡とはどのような状態か学び、その後に平衡状態を表す重要なキーワードである平衡定数について学んでいきましょう。

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1-1.化学平衡とギブズエネルギー

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化学における物質の変化は化学反応式で表されます。この化学反応は反応させる物質の性質や反応条件によって多種多様であり常に同じような反応が起こるとは限りません。反応が全く進まないこともあれば、平衡のように一部の物質のみ変化して見た目では反応が停止することもあります。では化学反応の進みやすさはどのように決まるのでしょうか。

化学反応の進みやすさは反応ギブズエネルギー⊿_rGという値で評価することができます。ここではギブズエネルギーの詳しい意味は割愛するので⊿_rGは「反応物と生成物が持っているエネルギーの差」と考えてください。生成物のエネルギーがより低い(安定)とき(=⊿_rGが負のとき)は反応が進み、反応物のエネルギーのほうが低いとき(=⊿_rGが正のとき)は反応が進まない。そして生成物と反応物のエネルギーが同じとき(=⊿_rGがゼロ)、化学平衡が起こります。

1-2.平衡定数と活量

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さて、先ほど化学反応の進みやすさを表す値として反応ギブズエネルギーを学びました。このエネルギーは以下の式を用いて表すことができます。ここで登場する「反応比」Qは活量という値を用いて表される値です。

ここで化学平衡となっている状態を考えてみましょう。先ほど学んだ通り、平衡時は⊿_rGはゼロとなるため反応比Qと標準反応ギブズエネルギーの間に以下の関係式が成り立ちます。そして標準反応ギブズエネルギーは反応ごとに計算することができるため、以下の式から平衡時の反応比Qを求めることができるのです。このときの反応比Qは平衡定数Kとして扱われます。

ちなみに活量を使って平衡定数を厳密に計算することはあまり行いません。一般的には活量の代わりにモル濃度を用いて計算することが多いです。少なくとも高校化学ではモル濃度を用いて記述した以下の平衡定数をご覧になった方が多いのではないでしょうか。

2.塩基の強さと共役酸の関係性

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前の章では化学平衡と平衡定数について学びました。この章でははじめに百科事典などに記載されている酸塩基の定義(ブレンステッド-ロウリーの定義)を学び、その後に塩基を水に溶かしたときの化学平衡を学びます。ここで登場するのが共役酸です。

そして共役酸の平衡定数とpHの関係や平衡定数の値と塩基の強さの関係を学びます。平衡定数に関する話は式がたくさん出てくるので難しいと個人的には感じていますが、一つずつ丁寧に説明するので頑張って学んでくださいね。

2-1.塩基の化学平衡と共役酸

酸と塩基に関する定義として有名なのは「ブレンステッド-ロウリーの分類」で、これでは「酸はプロトン供与体であり、塩基はプロトン受容体である」と定義されます。例えば以下の平衡反応を考えてみましょう。このとき、塩基は水から水素イオン(プロトン)を受け取ってHB⁺を形成します。このHB⁺が共役酸です。

この塩基の化学平衡にもそれぞれの固有の平衡定数があり、その中で水の活量は”1”に近似することが可能なため、一般的には水の活量を1に変換した「塩基定数」で平衡定数を表します。

2-2.塩基定数とpHの関係

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ところで酸塩基の強さを表すときによく使われる「pH(ピーエイチ)」という用語を聞いたことがある方も多いのではないでしょうか。pHが8以上となる物質が塩基性と言われます。ではpHと酸、塩基の強さにはどのような関係があるのでしょうか。

ここで先ほどの塩基の化学平衡を逆に書いてみましょう。すると、左辺の共役酸が水と反応して右辺の塩基に変化すると見ることができます。ここで塩基定数と同様の考え方を適用すると、共役酸の「酸定数」を定義することが可能です。

さて、ここで塩基定数と酸定数を掛けると水にプロトンが付加したH₃O⁺とプロトンが解離したOH^-の活量の積が得られます。この積は水自身がイオン化する平衡を表しており「水の自己プロトリシス定数」という値です。データより水の自己プロトリシス定数は10のマイナス14乗ということがわかっています。ここで水の自己プロトリシス定数を対数(log)で表してみましょう。するとpHとpOHの和が14になる、つまりOH^-が多い(pOHが小さい)ときにはpHは大きくなります。したがって塩基性の物質はpHが大きくなるのです。

2-3.共役酸の酸定数と塩基性の強さ

先ほど共役酸の酸定数に関する項目について学びました。次に共役酸の酸定数と塩基性の強さの関係について学んでいきましょう。最初にメタノールとアンモニアを考えてみます。これらの化合物について化学平衡を書いてみましょう。このときメタノールのpKaは15.5、アンモニアのpKaは36です。pKaが大きいほど平衡が進まない、つまりプロトンを解離しないためメタノールの酸性度がより強いと言え、言い換えるとメタノールがイオン化したメトキシドイオンのほうが多く生成しているとも言えます。

次に共役酸で同じ内容のことを考えてみましょう。ここではプロトンが付加したメタノールとメチルアミンを考えます。これらの化学平衡におけるpKaはメタノールの場合-2.5、メチルアミンの場合は10.7です。つまりプロトン付加したメタノールはプロトンを水に渡してすぐにメタノールに戻るのに対して、メチルアミンはプロトンが付加した状態のままでいると言えます。つまり共役酸が強い(プロトンを渡しやすい)ほど、塩基性は弱いということです。