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水と反応する金属(高校無機化学)



常温の水と反応する金属として、アルカリ金属、アルカリ土類金属元素のLi K Ca Naがあり
例えば 2Na+2H2O→H2+2NaOH などと反応すると思うのですが、
両性酸化物の反応として、(酸化アルミニウムと水酸化ナトリウム水溶液の反応において)
2Al3+ + 8OH-→2[Al(OH)4]-
という反応がおこり錯イオンが形成されるとき、
アルカリ金属、アルカリ土類金属ではないのに水と反応しているようにみえるのですが、常温でも反応するというのはあくまで金属単体の話であってイオンになると全く別の話ということでしょうか?

質問者からの補足コメント

  • 回答ありがとうございます。
    水酸化ナトリウム水溶液の溶媒である水は
    ほとんど電離しないから水の水酸化物イオンは考えないということですか?

    No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時:2017/07/14 12:51

A 回答 (3件)

アルミニウムの金属自体は水とは反応しません。

酸化アルミニウム、Al3+という時点で3価のアルミニウムのイオンであり、ゼロ価の金属アルミニウムとは違います。

塩でよければ、金の3価の塩、塩化金酸も水に溶けますよ。
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#1の方がプロなので、蛇足だけ。


アルカリ土金属も水と反応するのはマグネシウムとカルシウムだけ、バリウムは反応しません。
>2Al3+ + 8OH-→2[Al(OH)4]-
このときアルミニウムから出来るのは「アルミン酸」で金属アルミの塩ではありません。両性金属はその性質を持ちます。
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この回答へのお礼

ありがとうございます

お礼日時:2017/07/15 23:14

水酸化ナトリウムの水溶液は使ってるけど, 「水と反応」してるわけじゃないでしょ?

この回答への補足あり
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平衡定数の[A][B][C]は、モル濃度を示しているのではないのです。
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しかし、通常はその活量とモル濃度と数値が近い(ほぼ同じ)場合が多いので
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ですから
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画像におけるK2に関する式は単位が付いていますがこれは間違いと思っていいのでしょうか?

よろしくお願いします

Aベストアンサー

平衡定数の厳密解はでは、Kは無次元だと思いますよ。
1、質量作用の法則、平衡定数の発見
  1863年GuldbergとWaageが A+B ⇄ C+Dという反応において
  各物質の濃度を[A][B][C][D]とすると右向きの反応の速度は
  Vf=k1[A][B] 左向きの反応速度はVr=k2[C][D] となり
  平衡では両者の速度が等しいので
  Vf=Vr  からk1[A][B] =k2[C][D] であり、
  [C][D]/[A][B]=k1/k2=Kとし、 さらに一般化した。
  つまり、化学反応式の係数は、反応速度式の乗数と常に等しい
  とし、k1/k2=K は、常に成立すると考えた。
2、この考え方の限界
 ①化学反応式 A+B ⇄ C+D とした場合
  右向きの反応速度が必ず k1[A][B] になるとは限らない。

  反応速度式の形(乗数)は、化学反応式(量論式)の係数から一義的に決まるのではなく
  実測で求めるものである。
  *「反応速度式の形(乗数)は、化学反応式(量論式)の係数から
   一義的に決まり、k1/k2=K が常に成立するから、質量作用の法則が成立すると
   いう理由説明は、現在では採用されません。

3、質量作用の法則の発展
  その後、平衡定数Kが熱力学的な研究から厳密に定義された。
  化学ポテンシャル、標準生成自由エネルギー、自由エネルギーの概念の導入
  理想気体、理想溶液から実在気体、実在溶液への拡張のための
  フガシティー、活量の導入 などが寄与したと思います。

平衡定数は -ΔG°=RTlnK (ΔG°は、ギブスの標準反応自由エネルギー変化)で定義されています。
対数関数ですからKは無次元となります。
つまり、ΔG°の単位は、 J/mol  Rの単位は、 J/mol・K  Tの単位は、 K であり、
Kは無次元ということで、上式の左右の単位は合っています。

この熱力学的な定義により、Kは無次元であると No.3さんが答えられています。

この熱力学的な検討により、化学反応式の係数が平衡定数Kにおける各成分の乗数になることが
証明され、質量作用の法則が成立することが確かめられました。

つまり、k1/k2=K は、常に成立するわけではないが、常に化学反応式の係数が平衡定数Kにおける
各成分の乗数になるということです。

熱力学的な誘導式からのKは無次元です。
 今回の事例 {K=[C][D]/[A][B]} では、たまたま各成分の濃度に関する単位が約分され、無次元になります。
しかしながら、化学反応式の係数によっては、各成分の[ ]内が濃度として、例えばmol/Lの単位をつけると
 単位が約分されずにKに単位が生じてしまいます。

 熱力学的な厳密解ではKが無次元ならば、化学反応式の係数によってはKに単位が生じてしまう問題を
どのように考えれば良いのか?

色々な説明方法があり、数学的に詳しく証明される方もお見えだと思います。

しかし、厳密解における[ ]内の項目が単位を持った濃度ではなく、無次元の項目
(実際は 活量)だとすれば、化学反応式の係数がいかようでも、Kが無次元になって
問題がなくなります。

実際に、熱力学的な発展の中で、Kにおける各成分の項目は、厳密には濃度ではなく活量です。

低濃度の場合、活量と濃度はほとんど同じ数値になるので、近似的に活量の代わりに
濃度を用いることは、通常よく行われます。
あくまで、近似的ですが、活量の代わりに濃度そのものを代入するとKに単位が生じます。

反応速度式(k1、 k2)では通常、濃度をそのまま使います。
平衡定数Kは、厳密には活量であって、濃度ではない。近似的に濃度を使う場合が多いということです。

濃度と活量は、低濃度ならばほぼ同じであるが、高濃度になると差が開いてくる。
濃度によって変化してしまうのです。

どの位、濃度と活量に差が生じるのか? pHの場合の計算事例があります。
リン酸 のpH
モル濃度(mol/L)    活量計算 でのpH      濃度計算でのpH
   0.001        3.04            3.05
   0.01        2.23            2.25
    0.1         1.57            1.63
    0.5         1.16             1.25

  濃度が高くなるほど、差が開くことがわかります。

  質量作用の法則に基づいて
  A ⇄ B+C という平衡反応において
    K= [B][C]/[A]     となります。
このKは、熱力学的に化学ポテンシャルや自由エネルギーの概念から
誘導されたK (つまり、無次元)なのか?
各成分項目に 濃度を代入して、単位を持つKなのか?

 本来は、熱力学によって無次元項として誘導されたKだと思いますよ。
そして、それに近似として、濃度を使う。
また、多くの場合(特に低濃度の場合)、その近似は成立して
問題を起こさない。


蛇足 ;wikiの平衡定数の項目では、No.2(No.5)さんが示された
IUPACのページを引用して、
>平衡定数(へいこうていすう、英: equilibrium constant[1])は、化学反応の平衡状態を、
>物質の存在比で表したもの[2]。

存在比なので、無次元と言い切っていますね。

ただし、wikiから引用すると、日本語のwikiは、間違えだらけで信用できないと
しかられるので、あくまで蛇足です。

質問者さんが示された平衡定数は、本来は無次元項だと思います。
しかしながら、No.2(No.5)さんが示されたように、平衡定数には
色々な種類があり、近似的に濃度を代入した平衡定数も世の中では用いられている。

近似的に濃度の数値だけを用いて、単位は無次元という方が正しいように思いますが、
単位をつけて表示されることが慣例として行われているということだと思います。

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