共通イオン効果

化学において、共通イオン効果とは、イオン性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で、イオン性沈殿物の溶解度が減少することを指します。 ^{[1]この動作は、}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つを追加量加えると、通常、塩の沈殿が増加し、溶解度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、元の塩と他の追加化学物質の両方が互いに1つのイオンを共有するという事実に基づいています。

硫化水素（H ₂ S）は弱電解質です。水溶液中では部分的にイオン化されるため、水性媒体中の非イオン化分子と構成イオンの間には、次の平衡が存在します。

H ₂ S ⇌ H ⁺ + HS ⁻

質量作用の法則を適用することで、

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

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 ⁻

HCl を H ₂ S 溶液に加えると、H ^{+ は}共通イオンとなり、共通イオン効果が生じます。加えられた HCl による H ^{+イオンの濃度増加により、H} ₂ Sの解離の平衡は左に移動し、K _{aの値は一定に保たれます。したがって、H 2} S の解離は減少し、非イオン化 H ₂ S の濃度が増加し、その結果、硫化物イオンの濃度が減少します。

ヨウ素酸バリウム Ba(IO ₃ ) ₂の溶解度積は K _sp = [Ba ²⁺ ][IO ₃ ⁻ ] ² = 1.57 x 10 ⁻⁹です。純水への溶解度は 7.32 x 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 x 10 ⁻⁴ M に減少し、約 5 分の 1 になります。^[1]

白亜質または石灰岩の帯水層から飲料水を汲み上げている地域で広く使用されている実例としては、原水に炭酸ナトリウムを添加して水の硬度を下げるというものがあります。水処理の過程で、難溶性の炭酸カルシウムを沈殿させるために、溶解度の高い炭酸ナトリウム塩が添加されます。生成される炭酸カルシウムの非常に純粋で微細な沈殿物は、歯磨き粉の製造に使用される貴重な副産物です。

石鹸の製造に用いられる塩析プロセスは、共通イオン効果の恩恵を受けています。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。共通イオン効果とイオン強度の増加の組み合わせにより、石鹸は沈殿します。

海水、汽水、その他の水には、かなりの量のナトリウムイオン (Na ⁺ ) が含まれており、共通イオン効果により石鹸の正常な動作を妨げます。過剰な Na ⁺が存在すると、石鹸塩の溶解度が低下し、石鹸の効果が低下します。

緩衝溶液には、酸とその共役塩基、または塩基とその共役酸が含まれています。^{[2]共役イオンを追加すると、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している場合、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ると、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、その平衡を左に移動します。したがって、酢酸の解離率は低下し、溶液のpHは上昇します。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)

CH ₃ CO ₂ H(水溶液) ⇌ H ⁺ (水溶液) + CH ₃ CO ₂ ⁻ (水溶液)

これにより、ヒドロニウム濃度が低下し、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ります。

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が、これはイオン溶液からの塩の単純な沈殿に関係する平衡の一部ではありません。たとえば、塩化銅(I)は水に溶けませんが、塩化物イオンを加えると、たとえば塩酸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。

沈殿した塩自体の一部ではないイオンを加えると、塩の溶解度が上がることがあります。この「塩析」は「異常イオン効果」（「塩効果」または「異イオン効果」とも呼ばれます）と呼ばれます。これは、総イオン濃度が増加すると、溶液内のイオン間の引力が重要な要因になる可能性があるために発生します。^[3]この交互平衡により、沈殿反応に利用できるイオンが少なくなります。これは奇数イオン効果とも呼ばれます。