質問コーナー

Q359★NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ ＋ HCl という不揮発性の酸を用いて加熱し、HClが煙となって出て行くため、ルシャトリエの原理により右向きの反応が進み、目的物のHClが手に入るという反応があります。
このNaHSO₄というのがよく理解できません。
たとえば、炭酸であれば、弱い酸なのでH⁺をあまり放出しないため2段階で電離するというのは納得できるのですが、硫酸は強酸性だから100%電離する、その方が硫酸イオンも安定するからと学びました。
しかし、この化学反応ではHSO₄^-というイオンとナトリウムイオンとをくっつけています。この背景にある原理を教えてください。

酸のH⁺の放出しやすさは、pKaで定量的に示されます。pKaは、酸解離定数という平衡定数Ka を負の常用対数で表したものです。pKaが小さいほどその酸は H⁺ を放出しやすいです。

硫酸は、炭酸と同じように2段階で H⁺ を放出します。その2段階で異なるpKaを持っています。それぞれの酸解離の式とpKaは以下のようになります。

H₂SO₄　→H⁺　＋　HSO₄^- 　pKa < -8 (測定できないぐらい強い)
HSO₄^-　→H⁺　＋　SO₄^2- 　pKa = 2

1段階目のpKaはとても小さく、 H₂SO₄ が強い酸と言われる原因です。一方、2段階目のpKaはそれほど小さくありません。

NaCl と H₂SO₄ を反応させるとHClが発生します。この HCl の酸解離の式とpKaは、

HCl　→H⁺　＋　Cl^- 　pKa = -7

となり、HCl のpKaは小さく、HClは強い酸だということがわかります。

これらの3つのpKaを見比べてもらうとわかるように、実は HSO₄^-は HCl よりも、はるかに H⁺ を放出しにくい、すなわち弱い酸なのです！　よってH⁺の放出しやすさは H₂SO₄ > HCl > HSO₄^-となりますので、HCl が存在する状態ではHSO₄^-は、酸解離して H⁺と SO₄^2- にはなりません。したがって Na₂SO₄ ではなく NaHSO₄ が生成します。

ちなみに炭酸の酸解離の式とpKaは以下のとおりです。

H₂CO₃　→H⁺　＋　HCO₃^- 　pKa = 6
HCO₃^-　→H⁺　＋　CO₃^2-　 pKa = 10

これらは硫酸のpKaよりもはるかに大きく、炭酸が H⁺ を放出しにくい、硫酸よりも弱い酸であることが分かります。

(MN) 2017/10/05