弱塩基

Tiffany Sullivan Airman 2

弱塩基とは、水に溶解しても完全には解離しない塩基であり、その結果得られる水溶液には、水酸化物イオンと関連する塩基性ラジカルが少量しか含まれず、塩基の解離していない分子が大部分を占めます。

pH、K_b、およびK_わ

塩基は、純水よりも水素イオンの活量が低い溶液を生成します。つまり、標準状態ではpHが7.0以上、場合によっては14（塩基によっては14を超えることもあります）に達することもあります。pHの式は次のとおりです。

${\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[{\mbox{H}}^{+}\right]}$

塩基はプロトン受容体です。塩基は水（H ₂ O）から水素イオンを受け取り、溶液中に残存するH ⁺ 濃度によってpHが決まります。弱塩基は強塩基よりもH ⁺濃度が高くなります。これは、弱塩基は強塩基よりもプロトン化が不十分で、溶液中により多くの水素イオンが残存するためです。H ^{+濃度が高いため、式から弱塩基のpH値は低くなります。しかし、塩基のpHは通常、OH -}濃度で計算されます。これは、H ⁺濃度は反応に関与しないのに対し、OH ^-濃度は関与するからです。pOHは次のように定義されます。

${\displaystyle {\mbox{pOH}}=-\log _{10}\left[{\mbox{OH}}^{-}\right]}$

共役酸（NH ₄ ⁺など）と共役塩基（NH ₃など）の平衡定数を掛け合わせると、次のようになります。

${\displaystyle K_{a}\times K_{b}={[H_{3}O^{+}][NH_{3}] \over [NH_{4}^{+}]}\times {[NH_{4}^{+}][OH^{-}] \over [NH_{3}]}=[H_{3}O^{+}][OH^{-}]}$

水の自己イオン化定数と同様、 ${\displaystyle {K_{w}}=[H_{3}O^{+}][OH^{-}]}$ ${\displaystyle K_{a}\times K_{b}=K_{w}}$

方程式の両辺の対数を取ると次のようになります。

${\displaystyle logK_{a}+logK_{b}=logK_{w}}$

最後に、両辺に -1 を掛けると、次のようになります。

${\displaystyle pK_{a}+pK_{b}=pK_{w}=14.00}$

上記のpOH式から得られたpOHを使用して、塩基のpHを から計算できます。ここで、pK _w = 14.00です。 ${\displaystyle pH=pK_{w}-pOH}$

弱塩基は弱酸とほぼ同じように化学平衡状態を保ち、塩基解離定数（K _b）が塩基の強さを示します。例えば、アンモニアを水に入れると、以下の平衡状態が成立します。

${\displaystyle \mathrm {K_{b}={[NH_{4}^{+}][OH^{-}] \over [NH_{3}]}} }$

_{K b}が大きい塩基はより完全にイオン化するため、より強い塩基となります。上に示したように、溶液のpHはH ^{+濃度に依存し、OH −}濃度の増加とともに上昇します。OH ⁻濃度が高いほどH ⁺濃度は低下し、したがってpHは上昇します。強塩基はより完全にプロトン化されているため、H + 濃度が低くなり、^溶液中に残る水素イオンが少なくなります。H ⁺濃度が低いほどOH ^−濃度が高くなり、したがってK _bとpHは上昇します。

_{NaOH (s)（水酸化ナトリウム）は、(CH 3} CH ₂ ) ₂ NH (l)（ジエチルアミン）よりも強い塩基であり、NH ₃ (g)（アンモニア）よりも強い塩基です。塩基が弱くなるにつれて、K _b値は小さくなります。^[1]

プロトン化率

上で述べたように、塩基の強さは主にpHに依存します。弱塩基の強さを説明するには、プロトン化率、つまり塩基分子のうちプロトン化された分子の割合を知ることが役立ちます。プロトン化率が低いほどpHも低くなります。なぜなら、どちらの数値もプロトン化の量によって決まるからです。弱塩基ではプロトン化が少ないため、pHとプロトン化率も低くなります。^[2]

典型的なプロトン移動平衡は次のようになります。

${\displaystyle B(aq)+H_{2}O(l)\leftrightarrow HB^{+}(aq)+OH^{-}(aq)}$

Bは基数を表します。

${\displaystyle Percentage\ protonated={molarity\ of\ HB^{+} \over \ initial\ molarity\ of\ B}\times 100\%={[{HB}^{+}] \over [B]_{initial}}{\times 100\%}}$

この式では、[B] _initialはプロトン化が起こっていないと仮定した場合の塩基の初期モル濃度です。

典型的なpHの問題

_{ピリジンC5H5N}の0.20M水溶液のpHとプロトン化率を計算しなさい。C5H5N^のKb_は1.8 _{x 10−9}で_ある。[ 3 ^]

まず、プロトン移動平衡を書きます。

${\displaystyle \mathrm {H_{2}O(l)+C_{5}H_{5}N(aq)\leftrightarrow C_{5}H_{5}NH^{+}(aq)+OH^{-}(aq)} }$

${\displaystyle K_{b}=\mathrm {[C_{5}H_{5}NH^{+}][OH^{-}] \over [C_{5}H_{5}N]} }$

平衡表は、すべての濃度が1リットルあたりのモル数で表されており、

	C 5 H 5 N	C 5 H 6 N +	ああ−
初期の正規性	.20	0	0
正常性の変化	-x	+x	+x
平衡正規性	.20 -x	×	×

平衡モル濃度を塩基性定数に代入する	${\displaystyle K_{b}=\mathrm {1.8\times 10^{-9}} ={x\times x \over .20-x}}$
x は非常に小さいので、有効数字を使用する頃には意味をなさなくなると想定できます。	${\displaystyle \mathrm {1.8\times 10^{-9}} \approx {x^{2} \over .20}}$
x について解きます。	${\displaystyle \mathrm {x} \approx {\sqrt {.20\times (1.8\times 10^{-9})}}=1.9\times 10^{-5}}$
x << .20という仮定を確認する	${\displaystyle \mathrm {1} .9\times 10^{-5}\ll .20}$; 近似は有効である
pOH = -log [OH − ] から [OH − ]=x として pOH を求める	${\displaystyle \mathrm {p} OH\approx -log(1.9\times 10^{-5})=4.7}$
pH = pK w - pOHより、	${\displaystyle \mathrm {p} H\approx 14.00-4.7=9.3}$
[HB + ] = x、[B]初期値= .20のプロトン化率の式から、	${\displaystyle \mathrm {p} ercentage\ protonated={1.9\times 10^{-5} \over .20}\times 100\%=.0095\%}$

これは、ピリジンの 0.0095% が C ₅ H ₅ NH ⁺のプロトン化された形であることを意味します。

例

• アラニン
• アンモニア、NH ₃
• メチルアミン、CH ₃ NH ₂
• 水酸化アンモニウム、NH ₄ OH

シンプルな事実

• 弱塩基の例としてアンモニアが挙げられます。アンモニアは水酸化物イオンを含みませんが、水と反応してアンモニウムイオンと水酸化物イオンを生成します。^[4]
• 弱塩基が水と反応する場合、平衡の位置は塩基によって異なります。左に位置するほど、塩基は弱くなります。^[5]
• 生体膜の両側に水素イオン勾配がある場合、一部の弱塩基の濃度は膜の片側のみに集中します。^[6]弱塩基は酸性の体液に蓄積する傾向があります。^[6]酸性の胃液には、血漿よりも高い濃度の弱塩基が含まれています。 [ ^6]酸性尿は、アルカリ性尿と比較して、弱塩基をより速く排泄します。^[6]

参照

• 強固な基盤
• 弱酸

参考文献

1. 「強塩基と弱塩基の説明」. ChemGuide . 2018年3月23日閲覧。
2. ハワード・マスキル（1985年）『有機化学の物理的基礎』オックスフォード大学出版局、ISBN 978-0-19-855192-8。
3. 「弱塩基の計算」Mr Kent's Chemistry Page . 2018年3月23日閲覧。
4. アトキンス、ピーター、ロレッタ・ジョーンズ著『化学原理：洞察の探求』第3版、ニューヨーク：WHフリーマン、2005年。
5. クラーク、ジム.「強い塩基と弱い塩基」Np、2002年。ウェブ。
6. Milne, MD; Scribner, BH; Crawford, MA (1958). 「非イオン拡散と弱酸および弱塩基の排泄」. The American Journal of Medicine . 24 (5): 709– 729. doi :10.1016/0002-9343(58)90376-0.

外部リンク

• ジョージタウン大学のコースノートから学ぶ弱塩基ガイド
• Intuteによる弱塩基溶液の酸性度に関する記事

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