目次（まとめ）

◾️ 化学平衡は、可逆的に起こる化学反応が見かけ上バランスをとっている状態

◾️ さまざまな平衡反応に対する解離定数がわかっている

◾️ 参考文献

こんにちは、みっちゃんです。

今回の記事では、化学平衡について紹介して、さまざまな平衡反応に対する解離定数を紹介します。

化学平衡は、可逆的に起こる化学反応が見かけ上バランスをとっている状態

いま、化学種（chemical species）である \({\bf A}\) と \({\bf B}\) が化学反応を起こして、別の化学種 \({\bf C}\) と \({\bf D}\) になる状況を考えます。

$${\bf A} + {\bf B} \rightleftharpoons {\bf C} + {\bf D}$$

ここで矢印 "\(\rightleftharpoons\)" は、化学反応が可逆的に起こる（右向きの反応も左向きの反応も起こる）ことを意味しています。つまり、以下の2つの反応が起こるということです。

$${\bf A} + {\bf B} \rightarrow {\bf C} + {\bf D}\\{\bf A} + {\bf B} \leftarrow {\bf C} + {\bf D}$$

例えば、水（\({\rm H_2O}\)）が水素イオン（\({\rm H^+}\)）と水酸化物イオン（\({\rm OH^-}\)）に分かれる反応と、逆に、水に戻る反応を考えると、以下のように表現できます。

$${\rm H_2O} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm OH^-}$$

当然、水が常にイオンに分かれてしまうと、水がなくなってしまうので、常に、水が生成される反応も起こっています。

つまり、右向きの反応（\(\rightarrow\)）と左向きの反応（\(\leftarrow\)）は、常にバランスを保ちながら起こっていることになります。

これを「化学平衡（chemical equilibrium）」といいます。

また、この化学平衡状態にあるとき、それぞれの化学種の濃度は「定常状態（steady state）」にあるといいます。

例えば、カギ括弧（"[" と "]"）を使って、\({\bf A, B, C, D}\) の濃度を \({\bf [A], [B], [C], [D]}\) と表現すると、化学平衡は以下のように表現できます。

$$\frac{{\bf [C]}{\bf [D]}}{{\bf [A]}{\bf [B]}} = 10^{-pK}$$

ここで、\(10^{-pK}\) は「解離定数（dissociation constant）」と呼ばれます。

さまざまな平衡反応に対する解離定数がわかっている

解離定数の値は、平衡反応によって決まっており、以下の表にまとめた値になります。

反応\(pK\)解離定数
\({\rm H_2O} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm OH^-}\)14\(10^{-14}\)
\({\rm HCO_3^-} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm CO_3^{2-}}\)10.33\(10^{-10.33}\)
\({\rm H_3BO_3} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm H_2BO_3^-}\)9.3\(10^{-9.3}\)
\({\rm HSO_3^-} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm SO_3^{2-}}\)7.21\(10^{-7.21}\)
\({\rm H_2CO_3} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm HCO_3^-}\)6.35\(10^{-6.35}\)
\({\rm NH_3} + {\rm H_2O} \rightleftharpoons {\rm NH_4^+} + {\rm OH^-}\)4.74\(10^{-4.74}\)
\({\rm HSO_4^-} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm SO_4^{2-}}\)1.9\(10^{-1.9}\)
\({\rm H_2SO_3} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm HSO_3^-}\)1.77\(10^{-1.77}\)
\({\rm HNO_3} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm NO_3^-}\)-1.0\(10^{1.0}\)
\({\rm H_2SO_4} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm HSO_4^-}\)-3.0\(10^{3.0}\)
\({\rm HCl} \rightleftharpoons {\rm H^+} + {\rm Cl^-}\)-3.0\(10^{3.0}\)

参考文献

J. Harte「環境問題の数理科学入門」シュプリンガー・ジャパン株式会社