共通イオン効果

化学において、共通イオン効果とは、沈殿物と共通のイオンを持つ可溶性化合物を溶液に加えることによって、イオン沈殿物の溶解度が低下する現象を指します。 ^[¹^]この挙動は、イオンの会合/解離の平衡反応に関するルシャトリエの原理の結果です。この効果は、塩やその他の弱電解質の溶解度への影響としてよく見られます。塩のイオンの1つを追加で加えると、一般的に塩の沈殿が増加し、溶解平衡に達するまで塩の両方のイオンの濃度が低下します。この効果は、元の塩と他の添加された化学物質の両方が1つのイオンを共通に持っているという事実に基づいています。

共通イオン効果の例

塩酸存在下における硫化水素の解離

硫化水素（H₂S _）は弱電解質です。水溶液中では部分的に電離するため、水溶液中では非電離分子と構成イオンの間に以下のような平衡状態が存在します。

H₂S ⇌ H⁺ ⁺ HS⁻

質量作用の法則を適用すると、

K_{{\ce {a}}}={\frac {[{\text{H}}^{+}][{\text{HS}}^{-}]}{[{\text{H}}_{2}{\text{S}}]}}

塩酸（HCl）は強電解質であり、ほぼ完全にイオン化する。

HCl → H ⁺ + Cl ⁻

_H₂S溶液にHClを加えると、H⁺^は共通イオンとなり、共通イオン効果が生じます。添加されたHClによってH⁺イオンの濃度が増加するため^、_H₂Sの解離平衡は左に移動し、Kの値は一定に保たれます_{。したがって、}_H₂S の解離は減少し、非イオン化H₂Sの濃度が_増加し、結果として硫化物イオンの濃度が減少します。

硝酸バリウム存在下におけるヨウ素酸バリウムの溶解度

ヨウ素酸バリウム、Ba(IO ₃ ) _{2 の}溶解度積 K _sp = [Ba ²⁺ ][IO ₃⁻ ] ² = 1.57 × 10 ⁻⁹です。純水中での溶解度は 7.32 × 10 ⁻⁴ M です。しかし、硝酸バリウム、Ba(NO ₃ ) ₂ の 0.0200 M 溶液では、共通イオンであるバリウムの増加により、ヨウ素酸イオン濃度が減少します。そのため、溶解度は 1.40 × 10 ⁻⁴ M に低下し、約 5 分の 1 になります。^[¹^]

溶解度の影響

チョーク層や石灰岩層から飲料水を取水している地域で広く用いられている実例として、原水に炭酸ナトリウムを添加して水の硬度を下げる方法がある。水処理工程では、溶解度の高い炭酸ナトリウム塩を添加して、溶解度の低い炭酸カルシウムを沈殿させる。こうして生成される非常に純度が高く微細な炭酸カルシウムの沈殿物は、歯磨き粉の製造に用いられる貴重な副産物である。

石鹸の製造に用いられる塩析法は、共通イオン効果を利用しています。石鹸は脂肪酸のナトリウム塩です。塩化ナトリウムを加えると、石鹸塩の溶解度が低下します。石鹸は、共通イオン効果とイオン強度の増加が相まって沈殿します。

海水、汽水、その他ナトリウムイオン（Na⁺ ^）を相当量含む水は、共通イオン効果により石鹸の正常な働きを阻害します。過剰なNa⁺が存在すると^、石鹸塩の溶解度が低下し、石鹸の洗浄力が低下します。

緩衝効果

緩衝溶液は、酸とその共役塩基、または塩基とその共役酸を含みます。^{[ 2 ]}共役イオンを加えると、緩衝溶液のpHが変化します。たとえば、酢酸ナトリウムと酢酸の両方が同じ溶液に溶解されている場合、両方とも解離してイオン化し、酢酸イオンを生成します。酢酸ナトリウムは強電解質であるため、溶液中で完全に解離します。酢酸は弱酸であるため、わずかにしかイオン化しません。ルシャトリエの原理によれば、酢酸ナトリウムからの酢酸イオンの添加は、酢酸のイオン化を抑制し、平衡を左に移動します。したがって、酢酸の解離率は減少し、溶液のpHは増加します。酸または塩基のイオン化は、その共役塩基または酸の存在によって制限されます。

NaCH ₃ CO ₂ (s) → Na ⁺ (aq) + CH ₃ CO ₂⁻ (aq)

CH₃CO₂H ( _aq ) _⇌ H⁺ ₍ aq ) ⁺_{CH₃CO₂⁻} ( aq ⁾

これによりヒドロニウムイオン濃度が低下し、その結果、共通イオン溶液は酢酸のみを含む溶液よりも酸性度が低くなる。

例外

多くの遷移金属化合物は、錯イオンの形成によりこの規則に違反します。これは、イオン溶液からの単純な塩の沈殿に関わる平衡には含まれないシナリオです。例えば、塩化銅(I)は水に不溶ですが、塩酸などの塩化物イオンを加えると溶解します。これは、可溶性のCuCl ₂⁻錯イオンが形成されるためです。

非共通イオン効果

沈殿した塩自体を構成するイオン以外のイオンを加えると、塩の溶解度が増加することがあります。この「塩漬け」は「非共通イオン効果」（「塩効果」または「多様イオン効果」とも呼ばれる）と呼ばれます。これは、全イオン濃度が増加すると、溶液中のイオン間の引力が重要な要因となるためです。^{[ 3 ]}この代替平衡により、イオンが沈殿反応に利用されにくくなります。これは奇数イオン効果とも呼ばれます。

参考文献

1 2 Skoog, Douglas A.; West, Donald M.; Holler, F. James; Crouch, Stanley R. (2014).分析化学の基礎（第9 版）. Brooks/Cole. p. 209. ISBN 978-0-495-55828-6。
↑メンダム、J.、デニー、RC、バーンズ、JD、トーマス、MJK（2000）、『フォーゲルの定量化学分析（第6版）』、ニューヨーク：プレンティスホール、p.28 、ISBN 0-582-22628-7
↑クロード・E・ボイド（ 2015年7月14日）。水質入門。シュプリンガー。56ページ以降。ISBN 978-3-319-17446-4。

[Skoog-1] 1 2 Skoog, Douglas A.; West, Donald M.; Holler, F. James; Crouch, Stanley R. (2014).分析化学の基礎（第9 版）. Brooks/Cole. p. 209. ISBN 978-0-495-55828-6。