揮発性酸遊離反応(原理・例・濃硫酸を使う理由など)

目次

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『揮発性酸遊離反応(原理・例・濃硫酸を使う理由など)』について解説しています。


揮発性酸遊離反応とは

  • 揮発性の酸(蒸発しやすい酸)を含む塩に、不揮発性の酸(蒸発しにくい酸)を加えて加熱することで、揮発性の酸を取り出す反応を不揮発性酸遊離反応という。

\[
揮発性の酸を含む塩+不揮発性の酸→揮発性の酸+不揮発性の酸を含む塩
\]

  • 揮発性酸遊離反応の例として「塩化ナトリウムNaClと濃硫酸H2SO4の反応」を紹介する。

\[
\mathrm{NaCl+H_{2}SO_{4}\overset{加熱}{→}HCl+NaHSO_{4}}
\]

  • NaClは揮発性の酸を含む塩、H2SO4は不揮発性の酸である。
  • これらを加熱により反応させると、揮発性の酸である塩化水素HClと、不揮発性の酸を含む塩である硫酸水素ナトリウムNaHSO4が生じる。

揮発性酸遊離反応の原理

  • 揮発性酸遊離反応の原理について、先ほどの「塩化ナトリウムNaClと濃硫酸H2SO4の反応」を用いて詳しく解説する。

\[
\mathrm{NaCl+H_{2}SO_{4}\overset{加熱}{→}HCl+NaHSO_{4}}
\]

  • H2SO4が不揮発性の酸であるのに対し、HClは揮発性の酸である。したがって、加熱することにより、HClのみが蒸発し、外に逃げる。

●STEP1
揮発性の酸を含む塩が電離する。
●STEP2
不揮発性の酸を含む塩が電離する。
●STEP3
加熱により揮発性の酸が遊離する。

STEP
揮発性の酸を含む塩が電離する。

まず、揮発性の酸を含む塩であるNaClが電離する。

STEP
不揮発性の酸を含む塩が電離する。

次に、不揮発性の酸であるH2SO4を含む塩が電離する。

STEP
加熱により揮発性の酸が遊離する。

次に、加熱により揮発性の酸であるHClが遊離する。

この結果、ルシャトリエの原理により反応が右に進み、多量のHClが得られる。

H2SO4の沸点は非常に高い(300℃台)ため、加熱しても蒸発しません。


揮発性酸遊離反応に加熱は不要?

  • 揮発性酸遊離反応は、実は加熱せずとも起こる。
  • これは、この反応は酸・塩基反応と捉えることもできるためである。次の反応を用いて説明する。

例)塩化ナトリウムNaCl+濃硫酸H2SO4

\[
\mathrm{NaCl+H_{2}SO_{4}\overset{加熱}{→}HCl+NaHSO_{4}}
\]

  • 水溶液中において、HClとH2SO4はともに強酸性を示す。しかし、強酸の中にも強弱が存在し、HClとH2SO4で比較するとH2SO4の方が強い。したがって、弱酸遊離反応により、H2SO4は塩化ナトリウムNaClに水素イオンHを与えようとする。
  • その結果、加熱をせずとも上記の反応は積極的に右に進むことになる。

揮発性酸遊離反応のポイント

  • 揮発性酸遊離反応について疑問に感じやすいポイントをまとめる。

●揮発性酸遊離反応のポイント

  1. 濃硫酸を用いる理由
  2. NaHSO4で止まる理由
  3. 濃硫酸は弱酸ではないのか
  4. 不揮発性の酸の具体例は何か

❶ 濃硫酸を用いる理由

  • 揮発性酸遊離反応では、希硫酸ではなく濃硫酸を用いる。
  • この理由について考えるため、まず希硫酸(濃”硫酸”を水で”希”釈したもの)を用いた場合にどうなるのかを検討する。
  • 塩酸と硫酸はともに強酸だが、強酸の中にも強弱が存在し、塩酸と硫酸で比較すると硫酸の方が強い。したがって、弱酸遊離反応により希硫酸がもつ水素イオンHを塩化物イオンClに押し付けようとする。
  • しかし、希硫酸の場合、溶液中に水H2Oが多く存在する。塩酸も、硫酸より劣るものの強酸なので、酸としてHを投げる力は十分に強い。したがって、希硫酸から来たHをH2Oに押し付ける。
  • その結果、塩化ナトリウムに希硫酸を加えた場合、イオンに分かれて普通に溶けるという結果になる。
  • 次に、濃硫酸の場合を考える。まず希硫酸と同様に濃硫酸が自身のHを塩化物イオンClに押し付ける。
  • 希硫酸であればこの後塩酸はH2OにHを押し付けようとするが、濃硫酸だと(水で希釈されていないため)溶液中にH2Oがほぼ存在しない。したがって、塩酸はHを押し付ける相手がいない。
  • この状態で加熱をすると、塩酸は揮発性の酸なので蒸発する。

NaHSO4で止まる理由

\[
\mathrm{NaCl+H_{2}SO_{4}\overset{加熱}{→}NaHSO_{4}+HCl}
\]

  • この反応式において、H2SO4はNa2SO4までいかずNaHSO4で止まっているが、これは酸の強さの観点から説明できる。
  • 硫酸は次のような二段階で電離する。

\[
\mathrm{H_{2}SO_{4}→H^{+}+HSO_{4}^{-}}\\
\mathrm{HSO_{4}^{-}→H^{+}+SO_{4}^{2-}}
\]

  • 酸としての強さ(Hの放出しやすさ)はH2SO4(第一電離)>HCl>HSO4(第二電離)である。
  • HClの方がHSO4よりも酸として強力なので、HClがある状態でHSO4がHを放出することはない。
  • したがって、H2SO4がNa2SO4までいくことはなく、NaHSO4で止まる。

❸ 濃硫酸は弱酸ではないのか

  • 高校化学において、濃硫酸を弱酸と説明される場合があるが、正確には強酸である。
  • 濃硫酸が弱酸だという考え方は、「濃硫酸中には水分子がほとんど存在しない」ことからきている。
  • 濃硫酸の濃度は約98%のため、Hを放出したときに、それを受け取るH2Oがほとんど存在しない。したがって、Hを放出しにくく、事実上弱酸と考えることができる。
  • 濃硫酸は決してHを放出する力そのものが弱いわけではなく、めちゃくちゃ電離したいのに電離できない、言わば欲求不満状態ということである。Hを受け取る相手がいれば、当然Hをたくさん放出する強酸としてはたらく(これが希硫酸)。

❹ 不揮発性の酸の具体例は何か

  • 高校化学を学習する上で、不揮発性の酸として覚えておくべきは濃硫酸のみである。
  • そのほか、リン酸、過塩素酸なども不揮発性の酸である。

不揮発性酸遊離反応まとめ

この『揮発性酸遊離反応(原理・例・濃硫酸を使う理由など)』のページで解説した内容をまとめる。

  • 揮発性の酸(蒸発しやすい酸)を含む塩に、不揮発性の酸(蒸発しにくい酸)を加えて加熱することで、揮発性の酸を取り出す反応を不揮発性酸遊離反応という。
  • 代表的な不揮発性の酸は濃硫酸である。

【高校化学の計算ドリル】大好評発売中!

高校化学・化学基礎の計算問題が苦手な人に向けた計算ドリルを発売しました。豊富な問題数で、入試頻出の計算問題の解き方を身につけることができます。

著者情報

元講師、薬剤師、イラストレーター
数百名の中高生向け指導経験あり(過去生徒合格実績:東工大・東北大・筑波大・千葉大・岡山大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など)。
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆
気に入ったらシェアしてね!
目次