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15.8:

弱塩基性溶液

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Chimie
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Weak Base Solutions

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A weak base, like ammonia, is a Brønsted base that accepts a proton from water to produce the hydroxide ion. Weak bases react partially with water according to their base dissociation constant, Kb, which is 1.76 × 10−5 for ammonia. The Kb for ammonia can be expressed as the ammonium ion concentration times the hydroxide ion concentration divided by the concentration of ammonia at equilibrium. Kb can be used to determine the hydroxide ion concentration in a weak base solution and consequently, the pOH and pH of the solution. The hydroxide ion concentration and pH of 0.23 M of ammonia solution can be determined using its base dissociation constant and by preparing an ICE table containing the initial and equilibrium values of the ammonia, ammonium ions, and hydroxide ions. Substituting equilibrium concentrations in the Kb expression, Kb equals x times x divided by 0.23 minus x. As weak bases show partial dissociation, 0.23 minus x can be considered to be approximately 0.23. When the equation is solved, x equals 2 × 10−3 M. The approximation 0.23 minus x is equal to 0.23 is valid here as the hydroxide ion concentration is only 0.86% of 0.23 molar. To calculate the pH of this solution, first determine the pOH by taking the negative log of the hydroxide ion concentration, which equals 2.70. The pH can be determined using the formula: pH plus pOH is equal to 14 and calculated to be 11.30. The Kb for a weak base solution can be calculated if the pH of the weak base solution is known. Methylamine is a weak base that partially dissociates in water into methylammonium ions and hydroxide ions. The Kb for methylamine can be expressed as the methylammonium ion concentration times the hydroxide ion concentration divided by the concentration of methylamine at equilibrium. To calculate the Kb of a 0.040 M methylamine solution with pH 11.6, first the pOH needs to be calculated followed by its hydroxide ion concentration. As the pH is 11.60, the pOH is 2.40, and its hydroxide ion concentration is 4.0 × 10−3.  The ICE table can be constructed from the initial and the equilibrium concentrations of methylamine, methylammonium, and hydroxide. Substituting equilibrium concentrations in the expression for the Kb yields value for Kb, which is 4.4 × 10−4.

15.8:

弱塩基性溶液

化合物の中には、溶解したときに水分子と反応して水酸化物イオンを生成するものがあります。いずれの場合も部分的にしか反応しないため、弱塩基に分類されます。また、これらの化合物は自然界に多く存在し、さまざまな技術において重要な物質となっています。例えば、弱塩基であるアンモニアの世界生産量は年間100トンを超え、農業用肥料、他の化合物の化学合成原料、家庭用洗剤の有効成分などとして広く利用されています。アンモニアを水に溶かすと、部分的に反応して水酸化物イオンが生成され、以下のようになります。

Eq1

これは酸塩基反応であり、この場合は水分子からアンモニア分子へのH+イオンの移動を伴う。一般的な環境下では、溶存しているアンモニアのうちNH4+イオンとして存在するのは約1%です。

弱塩基性溶液中の水酸化物イオン濃度とpOH計算

弱塩基であるトリメチルアミンの0.25 M溶液の水酸化物イオン濃度、pOH、およびpHを求めます。:

Eq2

この系のICE表は以下の通りです。

(CH3)3N (aq) (CH3)3NH+ (aq) OH(aq)
初期濃度 (M) 0.25 0 ~0
濃度変化 (M) −x +x +x
平衡濃度 (M) 0.25 − x 0 + x ~0 + x

平衡濃度の項をKbの式に代入すると、

Eq3

x << 0.25と仮定し、xを解くと次のようになります。

Eq4

この値は、初期濃度(0.25)の5%以下なので、この仮定は正当です。

ICE表で定義されているように、xは水酸化物イオンの平衡濃度に等しくなります。

Eq5

The pOH is calculated to be

Eq6

Using the relation;

Eq7

permits the computation of pH:

Eq8

pHからのKbの決定

エチルアミン(C2H5NH2)の0.28 M溶液のpHが12.10の場合、そのKbはいくらでしょうか?

Eq9

エチルアミンのKb を計算するには、まずpOHと水酸化物イオン濃度を求める必要があります。pHが12.10であることから、pOHは次のように計算できます。

Eq10

pOHが1.90なので、溶液の水酸化物イオン濃度は、次の式で計算できます。

Eq11

この系におけるICE表は次の通りです。

C2H5NH2 (aq) C2H5NH3+ (aq) OH(aq)
初期濃度(M) 0.28 0 ~0
変化量(M) −0.0126 +0.0126 +0.0126
平衡濃度(M) 0.28 − 0.0126 0.0126 0.0126

0.0126Mは0.28Mの4.5%なので、0.28 −0.0126は5%ルールを用いると0.28 Mとほぼ等しいと考えることができます。

上記の値をエチルアミンのKbの式に代入してみると、

Eq12

上記の文章は下記から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e Section 4.2: Classifying Chemical Reactions and 14.3 Relative Strengths of Acids and Bases.