電荷収支と物質収支って何ですか？

（1）0.02molギ酸と0.01molギ酸ナトリウム混合液1ＬのｐＨを求めよ。という問題と（2）0.01mol/L酢酸ナトリウムのｐＨ求めよ。という２つの問題が解けません。それとこの問題で使われる物質収支と電荷収支とは何なのか全く理解できないので解りやすく教えてください。因みにギ酸と酢酸のpka1がそれぞれ3.55と4.56なのですがpkaとは何なのかもできれば教えてください。宜しくお願します。

No.3 ベストアンサー 回答者： ht1914 回答日時： 2007/06/20 20:26

（あ）０．０１ｍｏｌ／Ｌの酢酸のｐＨ，（い）０．０１ｍｏｌ／Ｌの酢酸ナトリウムのｐＨを求めてみます。

（近似式を使います。）
ｐＫａ＝４．５６ということは
１０＾（－５）＜Ｋａ＜１０＾（－４）です。

（あ）ＣＨ３ＣＯＯＨ⇔ＣＨ３ＣＯＯ－＋Ｈ＋
Ｈ２Ｏ⇔Ｈ＋＋ＯＨ－

［ＣＨ３ＣＯＯＨ］＋［ＣＨ３ＣＯＯ－］＝０．０１　　（１）
［ＣＨ３ＣＯＯ－］＋［ＯＨ－］＝［Ｈ＋］　（２）

［ＣＨ３ＣＯＯ－］［Ｈ＋］／［ＣＨ３ＣＯＯＨ］＝Ｋａ　　（３）
［Ｈ＋］［ＯＨ－］＝ＫＨ　　（４）

変数が多いですから近似で解きます。
この溶液は酸性ですから［Ｈ＋］≫［ＯＨ－］です。［ＯＨ－］を省略します。（２）より［ＣＨ３ＣＯＯ－］～［Ｈ＋］＝ｘとなります。
（３）よりｘ＾２＝Ｋａ×［ＣＨ３ＣＯＯＨ］です。０１ｐＫａ＝４．５６ということはＫａ＜１０＾（－４）です。［ＣＨ３ＣＯＯＨ］＜０．０１よりｘ＾２＜１０＾（－６）、ｘ＜１０＾（－３）です。これより［ＣＨ３ＣＯＯＨ］＝０．０１としてもいいことがわかります。
ｐＨ＝－ｌｏｇ［Ｈ＋］＝－（ｌｏｇ（０．０１Ｋａ））／２
＝（２＋４．５６）／２＝３．２８

（い）ＣＨ３ＣＯＯＮａ→ＣＨ３ＣＯＯ－＋Ｎａ＋
ＣＨ３ＣＯＯ－＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＯＨー
Ｈ２Ｏ⇔Ｈ＋＋ＯＨ－

［ＣＨ３ＣＯＯＨ］＋［ＣＨ３ＣＯＯ－］＝［Ｎａ＋］　（１）
［ＣＨ３ＣＯＯ－］＋［ＯＨ－］＝［Ｈ＋］＋［Ｎａ＋］　（２）
［Ｎａ＋］＝０．０１　（３）

［ＣＨ３ＣＯＯ－］［Ｈ＋］／［ＣＨ３ＣＯＯＨ］＝Ｋａ　　（４）
［Ｈ＋］［ＯＨ－］＝ＫＨ　　（５）

（１）（２）より［ＣＨ３ＣＯＯＨ］＝［ＯＨ－］－［Ｈ＋］＞０です。
アルカリ性ですから［Ｈ＋］≪［ＯＨ－］です。［Ｈ＋］を省略します。
［ＣＨ３ＣＯＯＨ］～［ＯＨ－］＝ｙ

（４）の両辺に［ＯＨ－］をかけます。
［ＣＨ３ＣＯＯ－］［Ｈ＋］［ＯＨ－］／［ＣＨ３ＣＯＯＨ］
＝Ｋａ×「ＯＨ－］
ｙ＾２＝［ＣＨ３ＣＯＯ－］・ＫＨ／Ｋａ＜［Ｎａ＋］・ＫＨ／Ｋａですから
ｙ＾２＜０．０１×１０＾（－９）です。
［ＣＨ３ＣＯＯ－］～［Ｎａ＋］＝０．０１としてかまいません。
ｙ＝√（０．０１×ＫＨ／Ｋａ）
［Ｈ＋］＝ＫＨ／ｙ＝√（ＫＨ・Ｋａ／０．０１）
　ｐＨ＝－ｌｏｇ［Ｈ＋］＝（１４＋４．５６－２）／２
　　　＝８．２８

蟻酸についてはやってみて下さい。
　　　

この回答へのお礼

大変解りやすい解答有難うございました。これで何とか解けそうです。
早速、酢酸の解答を基に蟻酸のＰＨを求めてみようと思います。本当に助かりました。有難うございました。

お礼日時：2007/06/20 22:18

No.2 回答者： w-palace 回答日時： 2007/06/20 20:06

補足です。

ギ酸とギ酸イオンのそれぞれの濃度に関しては、水溶液中での解離度や加水分解もかかわってきますので、初期の濃度だけから知ることはできません。
しかしながら、混合後のギ酸とギ酸イオンの合計は、はじめに加えたギ酸とギ酸ナトリウムの合計と同じです。
つまり、はじめのギ酸は、混合後はギ酸かギ酸イオンのいずれかになっており、はじめのギ酸ナトリウムもまたギ酸かギ酸イオンのいずれかになっています。
しかし、それだけではギ酸とギ酸イオンの個々の量を知ることはできません。化学平衡が移動するからです。
それに対して、混合後の両者の合計を考えるのであれば、ギ酸とギ酸イオンの由来は、はじめに加えたギ酸とギ酸ナトリウム以外にはありえないので、両者は一致するということです。
同様に、Na+の由来は酢酸ナトリウムのみなので、はじめに加えた酢酸ナトリウムの量と一致するということです。
これらのことから作成出来る式は以下のとおりです。
[HCOOH]+[HCOO-]=0.03 mol/L　：物質収支より
[Na+]=0.01 mol/L：物質収支より
[HCOO-][H+]/[HCOOH]=10^-3.55 ：pKaより
[H+]+[Na+]=[HCOO-]+[OH-]　：電荷収支より
[H+][OH-]=1.0x10^-14 ：水のイオン積より
これらから[H+]を計算すればpHがわかります。pHは-log[H+]ですからね。
ちなみに、[H+]と[OH-]のいずれかは他方に比べて無視出来る大きさになるでしょうから、[H+]+[Na+]=[HCOO-]+[OH-]　の式においてどちらかを無視出来ると思います。

具体的な計算はかなり煩雑なので遠慮したいです。

この回答へのお礼

物質収支と電荷収支についてよく解りました。これで勉強が進みそうです。早速問題を解いてみようと思います。有難うございました。

お礼日時：2007/06/20 22:21

No.1 回答者： w-palace 回答日時： 2007/06/19 22:03

物質収支：反応の前後で物質の量（原子の総数）が変化しないということです。

たとえば、(1)ではギ酸とギ酸イオンの合計が0.03molであり、Na+が0.01molであるということです。
電荷収支：反応の前後で電荷の量（電子の総数）が変化しないということです。
Ka=[A-][H+]/[HA]　　HAは酸の一般式。水溶液中での話です。
pKa=-logKa

この回答への補足

Na+が0.01molであるというのはギ酸の0.02molからギ酸ナトリウムの0.01molを引いた値なのでしょうか？あとこの問題のPHの求め方の計算仮定が見えてこないので、できれば説明も踏まえて解りやすく教えてもらえないでしょうか？

補足日時：2007/06/19 22:47