酸解離定数
酸と塩基 |
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酸解離定数（さんかいりていすう、英語: acidity constant）は、酸の強さを定量的に表すための指標のひとつ。酸性度定数ともいう。酸から水素イオンが放出される解離反応を考え、その平衡定数 Ka またはその負の常用対数 pKa によって表す。pKa が小さいほど強い酸であることを示す（Ka が大きいことになる）。
同様に、塩基に対しては塩基解離定数 pKb が使用される。共役酸・塩基の関係では、酸解離定数と塩基解離定数のどちらかが分かれば、溶媒の自己解離定数を用いることで、互いに数値を変換することができる。
酸解離定数は、通常は電離すると考えない有機化合物の水素に対しても使用することができる。アルドール反応など、水素の引き抜きを伴う有機化学反応を考える際に有効となる。
目次
1 定義
2 塩基解離定数
3 酸と塩基の共役
4 註・出典
5 関連項目
6 外部リンク
定義
酸の一般式を HA、溶媒を Hsol とすると、解離平衡反応は次のようになる。
- HA+Hsol↽−−⇀H2sol++A−{displaystyle {ce {{HA}+Hsol<=>{H2sol^{+}}+A^{-}}}}
このとき、酸解離定数 Ka は、溶媒の濃度 [Hsol] を定数内に含めた形で次のように表せる。
- Ka=[H2sol+][A−][HA]{displaystyle K_{mathrm {a} }={frac {[mathrm {H} _{2}mathrm {sol} ^{+}][mathrm {A} ^{-}]}{[mathrm {HA} ]}}}
![{displaystyle K_{mathrm {a} }={frac {[mathrm {H} _{2}mathrm {sol} ^{+}][mathrm {A} ^{-}]}{[mathrm {HA} ]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3dc1607bcfe07fdbc33693dab2457be692fb5334)
Ka は溶媒の種類に依存し、また平衡定数であるために温度によっても変化する。
Ka は物質によって大きく異なり、場合によっては非常に桁数が大きく（小さく）なるため、取扱いに不便なことがある。このため、負の常用対数 pKa = −log10Ka で表される場合が多い。
塩基解離定数
塩基の場合は、同様に塩基解離定数 (pKb) を用いる。塩基の一般式を B、溶媒を Hsol とすると、塩基が水素イオンを受け取る反応は次のようになる。
- B+Hsol↽−−⇀BH++sol−{displaystyle {ce {{B}+Hsol<=>{BH^{+}}+sol^{-}}}}
これより、塩基解離定数 Kb は、溶媒の濃度 [Hsol] を定数に含めた形で次のように表せる。
- Kb=[BH+][Hsol−][B]{displaystyle K_{mathrm {b} }={frac {[mathrm {BH} ^{+}][mathrm {Hsol} ^{-}]}{[mathrm {B} ]}}}
![{displaystyle K_{mathrm {b} }={frac {[mathrm {BH} ^{+}][mathrm {Hsol} ^{-}]}{[mathrm {B} ]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/44c2be9fc6ebc33f0f78ae7029504fc08d096b20)
Kb も Ka と同様に、負の常用対数表示にした pKb として扱うことが多い。pKb の小さな物質ほど塩基性が強くなる。
酸と塩基の共役
ある物質から水素イオンがひとつ脱離した化学種を、その物質の共役塩基と呼ぶ。反対に、ある物質に水素イオンがひとつ付加した化学種を、その物質の共役酸という。例えば、水 (H2O) の共役塩基は水酸化物イオン (OH−)、共役酸はオキソニウムイオン (H3O+) である。
酸解離定数と塩基解離定数の定義より、ある酸 HA の酸解離定数 Ka と、その共役塩基 A− の塩基解離定数 Kb の間には次式が成立する。
- KaKb=[H2sol+][A−][HA]⋅[HA][sol−][A−]=[H2sol+][sol−]{displaystyle K_{mathrm {a} }K_{mathrm {b} }={frac {[mathrm {H} _{2}mathrm {sol} ^{+}][mathrm {A} ^{-}]}{[mathrm {HA} ]}}cdot {frac {[mathrm {HA} ][mathrm {sol} ^{-}]}{[mathrm {A} ^{-}]}}=[mathrm {H} _{2}mathrm {sol} ^{+}][mathrm {sol} ^{-}]}
![{displaystyle K_{mathrm {a} }K_{mathrm {b} }={frac {[mathrm {H} _{2}mathrm {sol} ^{+}][mathrm {A} ^{-}]}{[mathrm {HA} ]}}cdot {frac {[mathrm {HA} ][mathrm {sol} ^{-}]}{[mathrm {A} ^{-}]}}=[mathrm {H} _{2}mathrm {sol} ^{+}][mathrm {sol} ^{-}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/834c63e91d8f397405dfe3b4ed6208ddff96dab3)
すなわち、ある溶媒中での Ka と Kb の積は、その溶媒の自己解離定数に等しい。特に水溶液中では水のイオン積（25℃で 10−14 M2）に等しくなるため、常用対数表記では pKa + pKb = 14 が成立する。
酸解離定数と塩基解離定数は溶媒の自己解離定数を媒介とすることで互いに変換可能であるため、文献等には酸解離定数のみが示されていることも多い。
なお、塩基の酸解離定数の値は、その塩基の共役酸の酸解離定数の値である。
| 酸（共役酸） | 塩基（共役塩基） | pKa (H2O) | pKa (DMSO) | pKa (AcOH) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 過塩素酸 | HClO4 | ClO− 4 | （強） | 0.4 | 4.9 | |
| 臭化水素酸 | HBr | Br− | −4.1 | 1.1 | 6.1〜6.7 | |
| 塩酸 | HCl | Cl− | −3.7 | 2.1 | 8.6 | |
硫酸 (pKa1) | H2SO4 | HSO− 4 | — | 1.4 | 7.2 | |
| 硝酸 | HNO3 | NO− 3 | −1.8 | 1.4 | 9.4 | |
| トリクロロ酢酸 | Cl3CCOOH | Cl3CCOO− | 0.7 | 11.5 | ||
リン酸 (pKa1) | H3PO4 | H2PO− 4 | 1.83 | | ||
| ジクロロ酢酸 | Cl2CHCOOH | Cl2CHCOO− | 1.48 | 6.4 | | |
硫酸 (pKa2) | HSO− 4 | SO2− 4 | 1.96 | 14.7 | | |
| フッ化水素酸 | HF | F− | 2.67 | | ||
| クロロ酢酸 | ClCH2COOH | ClCH2COO− | 2.88 | 8.9 | | |
酢酸 (AcOH) | CH3COOH | CH3COO− | 4.76 | 12.6 | | |
炭酸 (pKa1) | H2CO3 | HCO− 3 | 6.11 | | ||
リン酸 (pKa2) | H2PO− 4 | HPO2− 4 | 6.43 | | ||
| 2,4-ペンタンジオン | 8.8 | 13.3 | | |||
| シアン化水素 | HCN | CN− | 9.1 | 12.9 | | |
| アンモニア | NH+ 4 | NH3 | 9.25 | 10.5 | 6.4 | |
炭酸 (pKa2) | HCO− 3 | CO2− 3 | 9.87 | | ||
| ニトロメタン | CH3NO2 | CH2NO− 2 | 10.2 | 17.2 | | |
| エチルアミン | (C2H5)NH+ 3 | (C2H5)NH2 | 10.63 | 11 | | |
| トリエチルアミン | (C2H5)3NH+ | (C2H5)3N | 10.72 | 9.0 | 9.5 | |
| ジエチルアミン | (C2H5)2NH+ 2 | (C2H5)2NH | 10.93 | 10.5 | | |
リン酸 (pKa3) | HPO2− 4 | PO3− 4 | 11.46 | | ||
| アセトン | 19.3 | 26.5 | | |||
ジメチルスルホキシド (DMSO) | 33 | 35 | | |||
| メタン | CH4 | CH− 3 | 49 | 56 | | |
| エタン | C2H6 | C2H− 5 | 50.6 | | ||
註・出典
^ 11.2 無機酸の酸解離定数、『化学便覧』、改訂5版、日本化学会、pp.II-332-333 ISBN 4-621-07341-9, 11.6 非水系の平衡定数、ibin、pp. 354–356より抜粋し一つの表に統合。
関連項目
- 解離定数
外部リンク
- Bordwell pKa Table in DMSO
pKa Data Compiled by R. Williams (PDF)- Harvard University: Evans Group pKa Table
- Shodor.org Acid-Base Chemistry
- Factors that Affect the Relative Strengths of Acids and Bases
- Purdue Chemistry
"Acidity constant" definition (from the IUPAC "Gold Book")
Distribution diagrams of acids and bases (generation from pKa{displaystyle K_{a}} values with free spreadsheet)- pKa calculation software, first principle method based on Quantum Mechanics and Poisson-Boltzmann solvation model
- SPARC Physical/Chemical property calculator
