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イオンの化学種とは、溶液の pHの変化に伴ってイオンのさまざまな形態の濃度が変化することを指します。[ 1 ]
一塩基弱酸溶液のpHは、解離度合いで表すことができる。酸解離定数を定義する式を整理し、pH = −log 10 [H + ] とすると、次の式が得られる。
これはヘンダーソン・ハッセルバルヒ方程式の一種です。この式から次のことが推測できます。
したがって、酸が部分的に解離するpH範囲は約pKa ± 2である。これは右のグラフに示されている。
これらの結果の実用的な応用例として、pH指示薬のpH遷移範囲はおおよそpKa±1であり、指示薬の酸性形態の色は共役塩基形態の色とは異なることが挙げられます。遷移範囲では両方の形態が平衡状態にあるため、色は中間色になります。遷移範囲外では、酸または共役塩基の濃度は10%未満となり、主要な形態の色が支配的になります。
弱酸は、 pKaが約-2より大きい酸と定義できます。pKa = -2の酸は、pH 0、つまり1 M HCl溶液中で99%解離します。pKaが約-2より小さい酸は強酸と呼ばれます。強酸は完全に解離していると言われます。硫酸などの強酸は非常に高濃度の溶液中で会合するため、強酸と弱酸を区別する正確なpKa値はありません。
多塩基酸の化学種濃度を計算するには、pKa値が4以上離れていない限り、特定のpHで3種以上の化学種が共存する可能性があるため、計算がより複雑になります。右図はクエン酸の例です。連続するpKa値の差が小さいため、化学種が存在するpH領域は大きく重なり合っています。平衡化学種濃度を計算するためのコンピュータプログラムは多数公開されています。これらのプログラムのほとんどは、溶液中の酸塩基平衡よりもはるかに複雑な平衡を扱うことができます。汎用プログラムの詳細については、「化学平衡における化学種濃度を計算するためのコンピュータプログラム」を参照してください。