水溶液中のイオンのモル濃度の計算例

電解質を水に溶かすと、電解質が反対の電荷を帯びたイオンに分離され、得られた溶液が電気を伝導できるようになります。一般的な電解質の例としては、塩化ナトリウムや硝酸カリウムなどのさまざまな種類の塩、硫酸や硝酸などの酸、水酸化ナトリウムなどの塩基などがあります。

以下のセクションでは、強電解質と弱電解質の両方を含むさまざまな種類の電解質について、溶液中のイオンのモル濃度を計算する方法を例を使って詳細に説明します。

溶液中のイオンのモル濃度を計算できることが重要なのはなぜですか?

さまざまな理由から、溶液を調製する際にこれらのイオンのモル濃度を決定または計算する必要があります。一方では、イオンの総濃度により、電気を伝導する能力を知ることができます。一方、イオンの総濃度は溶液のイオン強度にも影響を与え、弱酸や弱塩基などのさまざまな実際のシステムの化学平衡に影響を与えます。

最後に、生物学および生化学の分野では、さまざまなイオンの濃度が非常に重要です。これは、ナトリウムやカリウムなどのイオン、および塩化物やその他の陰イオンの濃度が、膜電位、つまりイオンが膜の片側を自発的に通過する傾向を決定する上で重要な要因であるためです。細胞の適切な機能にとって非常に重要な他の多くの輸送現象。

強電解液中のイオン濃度の計算

強電解質は、水に溶けると完全にイオン化するイオン性物質です。これは、解離反応が不可逆的であることを意味し、化合物のすべての式単位が分離して、溶液中に可能な最大数のイオンが生じます。

このため、強い電解質の場合、イオン濃度の計算は、化学反応のバランスまたはバランスに応じて、単純な化学量論的計算で構成されます。以下のケースを例に取ります。

強電解質のイオン濃度の計算例。

声明：

リン酸カリウム 10.00 g を溶液 500.0 mL に溶解して調製した溶液中のリン酸イオンのモル濃度とカリウム イオンのモル濃度を計算します。

解決：

これらのタイプの問題は、一連の順序付けられた手順に従うことで解決できます。ステートメントによって提供されるデータによっては、いくつかの手順が不要になりますが、一般的に言えば、いつでも使用できます。

ステップ #1: データと未知数を抽出し、関連する分子量を決定し、必要な単位変換を実行します。

これは、ほとんどの場合、あらゆる種類の問題を解決するための最初のステップです。この場合、溶質の質量に相当する10.00 g のリン酸カリウム (K ₃ PO ₄ )を溶解して溶液を調製することが記載されています。

イオンのモル濃度が要求されるため、ある時点で次の塩のモル質量が必要になります。

このステートメントは、500.00 mL の溶液が調製されることも示しています。これは、溶液の量に相当します。彼らはモル濃度を求めているので、この体積をリットルに変換する必要があります。

ステップ #2: 電解質のモル濃度を計算します。これは、分析濃度とも呼ばれます。

一般に、塩自体のモル濃度から塩のイオン濃度を計算する方が簡単です。これは、モル濃度の式と上記のデータを使用して行います。

ここで、C _{K3PO4 は}塩のモル濃度を指します。

著者注:一般に、C を使用して分析濃度を任意の濃度単位で表すのが通例です。分析濃度とは、溶質、溶媒、および溶液の測定量から計算された濃度を意味します。これは、化学反応後または化学平衡を確立するときに、異なる種の濃度からそれらを区別するためです。

ステップ #3: 平衡解離方程式を書く

この場合、それは強い電解質であるため、反応は不可逆的です (平衡は確立されません)。

ステップ #4: 平衡方程式から得られた化学量論関係を使用して、目的のイオンの濃度を決定します。

式が書かれたら、あとは化学量論を使用してイオンの濃度を決定するだけです。モルの代わりにモル濃度を使用して化学量論計算を直接行うことができます。これは、実行しているすべての計算が、体積が変化しない単一の溶液を参照しているためです。そのため、濃度は各種のモルに正比例します。

これは、2 つのイオンの濃度が次のように決定されることを意味します。

弱電解液中のイオン濃度の計算

弱電解質の場合、基本的な違いは、解離反応が可逆的であり、溶質分子のごく一部のみが解離して遊離イオンを形成することです。このため、これらの場合のイオン濃度を計算するには、化学平衡を解く必要があります。

弱電解質のイオン濃度の計算例。

声明：

10.00 g の酢酸を 500.0 mL の溶液に溶解して調製した溶液中の酢酸イオンとヒドロニウム イオンのモル濃度を計算します。酸の酸性度定数は 1.75 .10 -5 であることがわかってい^ます。

解決：

このケースでは、弱い電解質である酢酸の溶液を扱っているため、この溶質を水に溶解することによって確立されるイオン平衡を解決する必要があります。最初の手順は上記と同じですが、手順 4 以降は手順が変わります。方法は次のとおりです。

ステップ #1: データと未知数を抽出し、関連する分子量を決定し、必要な単位変換を実行します。

溶質の質量は再び 10.00 g で、溶液の体積も 500.0 mL です。これは、前に見たように 0.5000 L に相当します。酢酸 (CH ₃ COOH) の分子量は 60.052 g/mol です。

ステップ #2: 電解質のモル濃度を計算します。

上記のデータを使用すると、酢酸の初期または分析モル濃度は次のようになります。

ステップ #3: 平衡解離方程式を書く

前のケースとは異なり、弱い電解質であるため、反応は可逆的であり、平衡が確立されます。

ステップ #4: 化学平衡を解いて、すべての種の濃度を決定します。

イオンの最終濃度は化学量論による酸の初期濃度から直接決定することができないため、プロセスのこの部分は前のものとは完全に異なります。これらの濃度は、質量作用の法則によって与えられる平衡条件も満たさなければならないからです。 .

この特定のケースでは、平衡条件は平衡定数の式によって決定されます。

次の ICE テーブルは、初期濃度と最終濃度を関連付けています。この場合、実際にどれだけの酸が解離するかは事前にわからないため、その濃度の変化を未知数 (X) として表す必要があります。次に、化学量論により、X も酢酸イオンとプロトンから形成されなければならないことが確立されます。

未知の X を見つけるには、酸度定数の方程式を使用するだけで十分です。

この式は次のように書き直すことができます。

これは、酸度定数の値を代入した後の解が次のような 2 次方程式です。

ICE テーブルでわかるように、この場合、両方のイオンの濃度は X に等しいので、次のように書くことができます。

^{両方のイオンの濃度は、2.41.10 -3}モルに等しい。

参考文献

ボリーバル、G. (2020 年 7 月 9 日)。弱電解質：概念、特性、例。https://www.lifeder.com/electrolitos-debiles/から回収

ブラウン、T. (2021)。化学: 中央科学(第 11 版)。ロンドン、イギリス: ピアソン教育。

Chang、R.、Manzo、Á。R.、ロペス、PS、およびヘランツ、ZR (2020)。化学（第10版）。ニューヨーク州ニューヨーク市: MCGRAW-HILL。

ガルシア、J.（2002）。臨床ソリューションの濃度: 理論と相互変換。Rev.コスタリック。化学。医学。、23、81–88。https://www.scielo.sa.cr/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0253-29482002000100008 から取得

Sarica、S.（nd）。イオン濃度と例。https://www.chemistrytutorials.org/ct/es/44-Concentraci%C3%B3n_de_iones_con_ejemplosから取得