高校化学の問題で「二酸化炭素が水に溶ける問題」について、溶解度やpHの計算を求められることがあります。特に、二酸化炭素の溶解とその後の化学的な変化（電離）について理解することは非常に重要です。この記事では、二酸化炭素が水に溶ける量と、溶解後の水溶液のpHを求める方法について詳しく解説します。
二酸化炭素の溶解量の計算
問題の中で、10℃、1.01×10^5 Paで1Lの水に0.054 molの二酸化炭素が溶けることが示されています。次に、二酸化炭素を体積で0.037%含む空気が1Lの水に接触した場合、水1Lに溶ける二酸化炭素のモル数を求めます。
空気中に含まれる二酸化炭素の体積は0.037%です。1Lの空気中に含まれる二酸化炭素の体積は0.037% × 1L = 0.00037Lです。この体積の二酸化炭素が水に溶ける量を、溶解度に基づいて計算します。溶解度は0.054mol/1Lであるため、空気中の二酸化炭素0.00037Lが水に溶けるモル数は、0.054 mol × 0.00037 = 0.000020 ounces です。
二酸化炭素の電離とpHの計算
二酸化炭素が水に溶けると、炭酸（H2CO3）を形成し、その後一部が電離してH+（水素イオン）とHCO3-（炭酸水素イオン）を生成します。この時、第一段階の電離反応は次のように示されます。
C0₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻
この電離反応における電離定数K₁は、3.4×10^-7 mol/Lです。電離度αが非常に小さい（α≪1）場合、電離定数K₁とαを用いて水溶液中の[H⁺]濃度を求めることができます。電離度αを使って[H⁺]を計算し、その結果を基にpHを求めることが可能です。
電離定数とpHの計算方法
電離定数K₁を用いて水溶液のpHを計算する方法は以下の通りです。まず、[H⁺]の濃度を求めるために、K₁の式を使います。
K₁ = [H⁺][HCO₃⁻] / [H₂CO₃]
ここで、[H⁺] = [HCO₃⁻]であり、[H₂CO₃]の濃度は溶けた二酸化炭素の濃度に依存しています。計算式を使って、[H⁺]の値を求め、その値からpHを計算します。pHは以下の式で求められます。
pH = -log[H⁺]
なぜ[H⁺]と[HCO₃⁻]のモル濃度が等しいのか？
質問で言及された通り、電離式において[H⁺]と[HCO₃⁻]のモル比は単に係数比ではないという点に関して説明します。二酸化炭素が水に溶けるとき、第一段階の電離反応では、H₂CO₃がH⁺とHCO₃⁻に電離します。ここで、生成されるH⁺とHCO₃⁻は1:1のモル比で生成されるため、[H⁺]と[HCO₃⁻]は等しい濃度になります。
まとめ
この問題を通して、二酸化炭素が水に溶ける過程とその後の電離反応について理解することができます。溶解量の計算やpHの計算方法、そして電離反応におけるモル比についても重要なポイントでした。化学の問題を解く際には、これらの知識をしっかりと身につけておくことが大切です。
コメント