名階可岳の化学授業（理論）

平衡

「平衡は高校化学の中で一番わかりにくい。だからそのつもりで用心して。」

　平衡について

・まず平衡とは何か？

aA+bB　⇄　ｃC＋ｄD

これで→と←の速さが同じ結果、見た目は止まっているように見える状態。

ポイントは「反応が起こっているにもかかわらず元のままでいる怠け者がいる」という事。

つまりこの状態は、完全には進行しない中途半端な反応で起こる。

「塩酸」や「水酸化ナトリウム」では、完全に進行するので起こらない。

起こるのは、

・弱酸・弱塩基の電離(電離しない物がある)

・塩の加水分解(電離するのとしないのがある。特に緩衝液の塩では。)

・緩衝液の緩衝作用(酸や塩基を入れてもH⁺やOH⁻にならずに他のとくっついてしまう。)

・共通イオン効果

などがある。

平衡状態の中では、三つや四つのイオンが存在する。(いくつかは式による)

つまり変化形と元の形が仲良し状態になっているのである。

しかもこの止まっている時は掛け算にするとなぜか一定値を示す。

（温度が同じなら、触媒を入れようが一つを足してみようが常に同じ値を示す。）

この定数をなぜかいつもKであらわし、このKを「平衡定数」と呼ぶ。

１A＋２B→３C＋４D

とすると、

K＝

　[C]³×[D]⁴

―――――

[A]¹×[B]²

となり、

この[　]は、濃度(㏖／ℓ)と使う「濃度平衡定数」と、

分圧(㎩)を使う「圧平衡定数」があり、

それぞれ単位は違うが、意味するところは全く同じである。

なぜなら、分圧はすなわち、一リットル中に入っている㏖数の割合という事だし、濃度も同じだから。

気体の時は㏖数よりも㎩を使う方が解きやすいからそうしている。

(濃度の時はKa 　圧力の時はKp 　と書くことが多い。)

そして気を付けるのは単位！

Kの単位はその時によって違う。

上で使った、　K＝　[C]³×[D]⁴(右辺)／[A]¹×[B]² (左辺)

この式でのKは、それぞれが㏖／ℓで、計算してみたら、

（㏖／ℓ）³／（㏖／ℓ）⁷で、すなわち、１／（㏖／ℓ）⁴ということになる。

だからこのときのKの単位はこう書ける。

→（ℓ／㏖）⁴（（㏖／ℓ）をひっくりかえしたのの４乗）

もしも上下で（㏖／ℓ）の数が同じなら、その時は「単位なし」定数のみ。

それでは用語の説明

・まずは「[A]」この[　]ってなんだろう？

これは普通は濃度で、（㏖／ℓ）をあらわす。

つまり１００mlでも、５００mlでも、２ℓでも、すべて１ℓに直して計算しなければ、数値が違ってくる。

・「電離度α」

電離度にはたいていαをつかう。

弱酸などで、αは、「濃度中の電離する割合」(つまり電離しない物があるから。)

電離しないのは、元の濃度をＣとして、Ｃ(１－α)として計算する。

時には(１－α)≒１(電離度があまりにも低いから。酢酸とか。)として計算できて、計算がとても楽な時がある。

そして注意しておかなければならないが、

電離平衡では、Ｋは「電離定数」で、αは「電離度」

名前はそっくりだけど違うものである。

[水のイオン積]

水は温度にもよるが大抵

[H⁺]×[OH⁻]＝１０のマイナス１４乗

となる。

　つまり、H⁺の濃度が低ければ低いほどOH⁻の濃度は高くなり、

逆も言える。

だから「ｐH」ということができる。

「ｐH」とは、すなわち、ｐＨ＝㏒［Ｈ⁺］

［Ｈ⁺］の濃度が小数点以下何桁で計測できる濃度か、ということであり、

一桁ならｐH＝１　つまり［Ｈ⁺］が多い。

１２桁なら、ｐH＝１２　つまり［Ｈ⁺］がすくなくてその分[OH⁻]が多い。

そして、両方が同じなら、つまり両方１０のマイナス７乗なら、「ｐH７」

「中性」という事である。

「緩衝溶液」について

　水酸化ナトリウム＋酢酸→酢酸ナトリウム＋水

　アンモニア＋塩酸→塩化アンモニウム＋水

こういう中和の時に、でてくるのが「緩衝溶液」

できた「酢酸ナトリウム」や「塩化アンモニウム」のおかげで、多少の酸や塩基をくわえても、ｐＨが変わらないという特徴を持つ。

　ｐＨ＝㏒［Ｈ⁺］だから、

つまりはＨ⁺（水素イオン）またはＯＨ⁻（水酸化物イオン）の濃度が変わらないという事になる。

　それがどうやって起こるのか？平衡定数を用いて説明すると、

例）水酸化ナトリウム＋酢酸→酢酸ナトリウム＋水

化学式で書くと、ＮaOH+CH₃COOH→CH₃COONa＋H₂O

このCH₃COONaの入った溶液に酢酸を入れてもｐHはあまり変化しない。

酢酸の電離式は

CH₃COOH→CH₃COO⁻＋H⁺

「化学の問題は読んだら何でも化学式で書くのが基本。そうすると㏖比も分かるしね。」

平衡を表すと、

[CH₃COOH] 　⇄　[CH₃COO⁻]＋［H⁺］

K＝

　[CH₃COO⁻]＋［H⁺］

――――――――――

[CH₃COOH]

つまりはこれが定数になる。

と、いう事は、[CH₃COO⁻]を増やせば自動的に［H⁺］も減る。

これが緩衝溶液の基本である。

＊[CH₃COO⁻]が増えると（つまり水酸化ナトリウムが入ると）、入れた酢酸は電離できずに、全て[CH₃COOH]の形になる。つまりは、[CH₃COOH]＝C㏖/ℓ(つまり入れた分だけ分母の濃度にすればOK)　計算が楽、という事になる。

塩の加水分解、共通イオン効果、弱塩基／弱酸遊離の問題もある。