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解説!

よぉ、桜木健二だ。みんなは酸や塩基という言葉を聞いたことがあるだろう。では「酸」や「塩基」が水とどんな反応を起こすか知っているか。今日学習する「共役酸」とは塩基を水に入れたときに生成するイオンのことだ。水に塩基が溶けると「反応が止まったように見える状態」、つまり化学平衡の状態になる。
今日は最初に化学平衡に関する一般的な知識を学ぶ。その後に塩基と水の間の化学平衡、そして共役酸と塩基の強さの関係について学んでいこう。化学に詳しいライター珈琲マニアと一緒に解説していくぞ。

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。

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。

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反応物と生成物が持っているエネルギーの大小関係を表す値が反応ギブズエネルギーだ。反応ギブズエネルギーが正、負、ゼロの場合で反応の進みやすさは大きく変わる。平衡状態とは反応ギブズエネルギーがゼロになる状態のことなんだ。これは酸塩基に限らず、他の化学反応においても成り立つ関係性なのでしっかり抑えておこう。

次の章では反応ギブズエネルギーの関係式から求められた平衡定数を用いて、塩基と水の化学平衡について学んでいくぞ。

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