【大学化学】水平化効果とは？わかりやすく説明します！！

今回は酸・塩基の滴定に関わってくる、水平化効果についての説明とその応用例を書いていきます。

突然ですが、あなたは以下の文章を見てどう思いますか？

「水中に存在しうる最強の酸はH₃O⁺であり、最強の塩基はOH^–である」

おそらく、

「そんなわけないじゃん」って思う人が大半だと思います。

だって、HClO₄とか、HClとかのほうがH₃O⁺よりも酸として強いですよね。

ですが、これは意外にも事実なんです。

なぜなのか？詳しく説明します！！

水平化効果の説明

水溶液を使うと水平化効果が起きる

酸と塩基の両方について考えられますが、今回は酸の場合だけを考えます。

上にも書きましたが、水溶液中ではH₃O⁺が最強の酸なんです。

なぜかを、HClとHClO₄を例にとって考えていきましょう。

HClやHClO₄を水の中に溶かすと、

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^–

HClO₄ + H₂O → H₃O⁺ + ClO₄^–

のように、H₂Oをプロトン化する反応が起きます。

H₂Oをプロトン化、と言えば難しい気がしますが、要は、中学校で習う「HCl → H⁺ + Cl^–」のような反応が起こっているわけです。

これらの反応は平衡定数が大きいので、HClやHClO₄のような強酸は、完全にH₃O⁺に変換されます。

これが、水中で最強の酸がH₃O⁺であることの理由です。

H₃O⁺より強い酸は、水（H₂O）と反応してH₃O⁺に変換されちゃうんですね。

塩基の場合も同じで、OH^–より強い塩基はH₂Oを脱プロトン化して消えてしまいます。

そしてOH^–が代わりにできるわけです。

これらが水平化効果ですが、大事なのは、

「H₃O⁺より強い酸は全てH₃O⁺の強さに揃えられ、OH^–より強い塩基は全てOH^–の強さに揃えられる」

ということです。

実際、HClとHClO₄ではHClO₄の方が強い酸であるにも関わらず、

水溶液中では、HClもHClO₄も同じ酸の強さ（H₃O⁺の強さ）に揃えられていますよね。

この、「同じ強さにする」、というのが水平化効果の名前の由来です。

水以外を溶媒に使うと？

では、水以外の液体を溶媒として使うとどうなるのでしょうか？

例として、水より塩基性が弱い酢酸を溶媒に使うことを考えてみましょう。

酢酸に強い酸を溶かしても、以下のようにプロトン化は起こります。

HCl + CH₃COOH → CH₃COOH₂⁺ + Cl^–　　　　K = 2.8×10^-9

HClO₄ + CH₃COOH → CH₃COOH₂⁺ + ClO₄^–　　 K = 1.3×10^-5

酢酸がプロトン化される（H⁺を受け取る）のは不思議な感じがしなくもないですが、この反応は実際に起こります。

ここまででは、結局水も酢酸もプロトン化されてますよね。

ですが、酢酸は水より塩基性が弱いために、プロトン化反応の平衡定数が小さいです。

なので、酢酸のプロトン化の反応があまりいかず、強酸たちが溶液中に残ることになります。

ちなみに、HClとHClO₄ではHClO₄の方が強い酸なので、平衡定数も10⁴倍ほど大きいです。

水平化効果の応用例

水平化効果は水の両性により起こることが分かりましたが、それが滴定とどう関係するのでしょうか？

ここからはその応用例を説明していきます！

強酸を使った（すごく弱い）弱塩基の滴定

今回は（超）弱塩基の滴定を取り上げます。

弱塩基といっても、アンモニアのようなそこそこの弱塩基ではなく、尿素のようなすごく弱い弱塩基です！

（参考）K(アンモニア) = 1.8×10^-5 , K(尿素)= 1.3×10^-14

これを水中で滴定するとどうなるでしょうか。

水中だと、どんなに強い酸を使っても、問答無用でH₃O⁺にされてしまいます。

結果、反応式は、

\(\ce{B + H3O+ <<=> BH+ + H2O}\)

となり、H₃O⁺の酸のパワーが足りないために平衡が左に傾いてしまいます。 (尿素：B として表してます)

これでは滴定の終点が検出できません。

水平化効果のせいで、滴定できないわけですね。

じゃあ尿素のような弱塩基を滴定するにはどうすればいいか？もうピンときたひとも多いと思います。

溶媒に酢酸のような塩基性の弱い液体を使えばいいですね！

すると、

\(\ce{B + HClO4 <=>> BH+ClO4-}\)

となり、無事滴定をうまく行うことが出来ます！