酸とは 物理化学II 状態変化：化学反応 化学平衡(3) 酸とは 例 酢酸 ブレンステッドの定義 H2O 他の分子またはイオンにプロトン(H+)を移動また は、供与することのできる分子またはイオン •酸・塩基とは何か 実際にはH+をH2Oに差し出してヒドロニウムイオ ンH3O+が形成される 例 酢酸 •pH, pKaについて CH3COOH ! CH3COO- + H+ 酸 共役塩基 H 2O CH3COOH ! CH3COO- + H+ 酸 共役塩基 •緩衝液について 塩基とは 塩基とは ブレンステッドの定義 他の分子またはイオンからプロトン(H+)を受け取 ることのできる分子またはイオン ヒドロニウムイオンH3O+濃度：[H3O+] H 2O NH3 + H+ ! NH4+ 塩基 共役酸 水酸化物イオン濃度：[OH-] プロトンH+はH2Oから供給され、水酸化物イオン OH-が生成する H 2O NH3 + H+ ! NH4+ 塩基 共役酸 全ての水溶液について以下の関係が成り立つ [H3O+] [OH-]＝1 10-14 ただし、温度が25℃のとき pH：power of Hydrogen(水素の累乗) pH = -log10[H3O+] 身近な物質のpH 水素イオン濃度とpH [H3O+]=[OH-]=10-7 M←中性 pH = -log10[H3O+] pH=7のとき、 [H3O+]=[OH-]=10-7 M←中性 1 コーラ 2 3 血液 トマト 牛乳 純水 ジュース 4 酸性雨 玉川温泉(秋田) [H3O+] [OH-]＝1 10-14 ただし、温度が25℃のとき pH：power of Hydrogen(水素の累乗) レモン ジュース 全ての水溶液について以下の関係が成り立つ NH3 + H2O ! NH4++ OH塩基 水酸化物イオン pHについて pH=7のとき、 水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度 例 アンモニア 例 アンモニア CH3COOH+H2O ! CH3COO- + H3O+ 酸 ヒドロニウムイオン 5 6 正常な雨水 7 海水 レモン ジュース 1 コーラ 2 3 血液 トマト 牛乳 純水 ジュース 4 酸性雨 玉川温泉(秋田) 5 6 正常な雨水 7 海水 8 石鹸 9 10 11 12 13 14 都幾川温泉(埼玉) 石鹸 [H3O+]=10-pH 8 9 10 11 12 13 14 都幾川温泉(埼玉) pHを１下げるためには、酸濃度を10倍にし なければならない（塩酸等の場合） 酢酸と水の平衡(酸定数) CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO- 酢酸と水の平衡（酸定数） 希薄溶液に限ると 水の活量は１（純水の活量の値）に近いので 酸定数 酢酸イオンと水の平衡（塩基定数） [ ]はモル濃度(mol L-1) 希薄溶液に限ると [ ]はモル濃度(mol L-1) 水の活量は１（純水の活量の値）に近いので CH3COO- + H2O ⇄ CH3COOH + OH塩基定数 酢酸イオンと水の平衡（塩基定数） 酸と共役塩基の関係 O+ CH3COOH + H2O ⇄ H3 + CH3COO- 酸と共役塩基の関係 CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO- pH = -log([H3O+]) 両辺の対数をとると、 水の自動イオン化定数 pH = -log10[H3O+] 25℃では、 KW=1.008 10-14 酸と共役塩基の関係 CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO- 演習1 酢酸の0.050M溶液のpHが3.02と測定された。 平衡定数Kaはいくらか？ CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO- 演習1 酢酸の0.050M溶液のpHが3.02と測定された。 平衡定数Kaはいくらか？ CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO- 1のとき、pH=pKa " [CH 3 CO!2 ] % '' pH = pK a + log $$ # [CH 3CO 2 H] & ヘンダーソン・ハッセルバルヒ式 化学種 最終物質量(mol) 変化量(mol) 最終物質量(mol) CH3COOH CH3COO- H3O+ 演習1 演習1 酢酸の0.050M溶液のpHが3.02と測定された。 平衡定数Kaはいくらか？ CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO化学種 CH3COOH 0.050 最終物質量(mol) CH3COO- 0 H3O+ 1.0 10-7 酢酸の0.050M溶液のpHが3.02と測定された。 平衡定数Kaはいくらか？ CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO化学種 CH3COOH 最終物質量(mol) 変化量(mol) 最終物質量(mol) 最終物質量(mol) CH3COOH CH3 COO- CH3COOH 0 CH3COO- 1.0 10-7 H3O+ H3O+ 演習1 酢酸の0.050M溶液のpHが3.02と測定された。 平衡定数Kaはいくらか？ CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO化学種 初期物質量(mol) 変化量(mol) 最終物質量(mol) CH3COOH 0.050 CH3 COO- 0 10-4 解離時の変化量は？ 0.050 H3 1.0 CH3COO- 0.050 -9.6 変化量(mol) 初期の物質量は？ 演習1 9.6 0 10-4 H3O+ 1.0 9.6 10-7 10-4 CH3COOH + H2O ⇄ H3O+ + CH3COO化学種 CH3COOH CH3COO- H3O+ 最終物質量(mol) 0.050 0 1.0 10-7 変化量(mol) 最終物質量(mol) -9.6 10-4 9.6 10-4 10-3.02= 9.6 10-4 -9.6 10-4 0.049 平衡時の物質量は？ 9.6 10-4 9.6 10-4 9.6 10-4 9.6 10-4 CH3COOH 0.050-9.6 10-4= 0.049 CH3COOH3 O+ 0+9.6 10-4= 9.6 10-4 1.0 10-7 +9.6 10-4 9.6 10-4 演習2 演習２ 乳酸の平衡定数Kaは1.4 10-4である。0.050M溶 液のpHはいくらか？ 乳酸の平衡定数Kaは1.4 10-4である。0.050M溶 液のpHはいくらか？ HOLac + H2O ⇄ H3O+ + OLac- HOLac + H2O ⇄ H3O+ + OLac- O+ 化学種 10-7 最終物質量(mol) -9.6 10-4 9.6 10-4 9.6 10-4 0.049 酢酸の0.050M溶液のpHが3.02と測定された。 平衡定数Kaはいくらか？ 9.6 10-4 9.6 10-4 平衡定数Kaは？ 1.9%が解離 HOLac OLac- H3O+ 0.050 0 1!10-7 変化量(mol) -0.050! 0.050! 0.050! 最終物質量(mol) 0.050(1-!) 0.050! 0.050! =1.8 10-5 演習3 乳酸の平衡定数Kaは1.4 10-4である。0.050M溶 液のpHはいくらか？ HOLac + H2O ⇄ H3O+ + OLac- 演習3 酢酸ナトリウムの0.050M溶液のpHが8.73と測 定された。平衡定数Kbはいくらか？ CH3COO- + H2O ⇄ CH3COOH + OH- 演習3 酢酸ナトリウムの0.050M溶液のpHが8.73と測 定された。平衡定数Kbはいくらか？ CH3COO- + H2O ⇄ CH3COOH + OH- 演習3 演習3 酢酸ナトリウムの0.050M溶液のpHが8.73と測 定された。平衡定数Kbはいくらか？ CH3COO- + H2O ⇄ CH3COOH + OH- 化学種 CH3COO- CH3COOH OH- 最終物質量(mol) 0.050 0 1!10-7 変化量(mol) -5.37!10-6 5.37!10-6 5.37!10-6 最終物質量(mol) 0.050-5.37!10-6 5.37!10-6 5.37!10-6 緩衝液 ヘンダーソン・ハッセルバルヒ式 pH = pKa 共役酸塩基対の溶液：緩衝液 酢酸ナトリウムの0.050M溶液のpHが8.73と測 定された。平衡定数Kbはいくらか？ CH3COO- + H2O ⇄ CH3COOH + OH化学種 CH3COO- CH3COOH OH- 最終物質量(mol) 0.050 0 1!10-7 変化量(mol) -5.37!10-6 5.37!10-6 5.37!10-6 最終物質量(mol) 0.050-5.37!10-6 5.37!10-6 5.37!10-6 緩衝液(Buffer) pHをほぼ一定の値に制御するために用いる溶液 1M HCl 反応したのは約100万分の1だけ 1M HCl pH 6 pH 6 pH 2 pH 5.9 水 演習4 0.2Mの酢酸と0.2Mの酢酸ナトリウムを混合し て、pH4.6の緩衝液100mLを作るには各溶液を 何mLずつとればよいか 酢酸の解離定数Ka=1.754 10-5 M 酢酸ナトリウムは完全電離するものとする 酢酸-酢酸Na水溶液 演習4 0.2Mの酢酸と0.2Mの酢酸ナトリウムを混合して、 pH4.6の緩衝液100mLを作るには各溶液を何mLずつと ればよいか 酢酸の解離定数Ka=1.754 10-5 M 酢酸ナトリウムは完全電離するものとする 完全電離 CH3COONa→CH3COO- + Na+ CH3COOH+H2O⇄CH3COO- + H3O+ ごくわずか 演習4 完全電離 pH4.6 演習4 酢酸ナトリウムの濃度 演習4 酢酸をx mLと酢酸ナトリウムをy mLとする CH3COONa→CH3COO- + Na+ CH3COOH+H2O⇄CH3COO- + H3O+ ごくわずか pH4.6 酢酸ナトリウムの濃度 =1.754 10-5 M 酢酸の濃度 =1.754 10-5 M 酢酸の濃度 酢酸をx mLと酢酸ナトリウムをy mLとする 酢酸と酢酸ナトリウムの合計は100 mLなので タンパク質分子の上の酸塩基側鎖 物理化学II 状態変化：化学反応 化学平衡(4) タンパク質 ２０種類のアミノ酸がペプチド結合によりつながっ たポリマー タンパク質分子の上の酸塩基側鎖 タンパク質 •タンパク質がもつ酸塩基特性 •生体系における熱力学 （生物学的標準ギブズエネルギー） タンパク質分子の上の酸塩基側鎖 卵白リゾチーム 卵白リゾチーム グルタミン酸残基の解離 タンパク質分子の上の酸塩基側鎖 酸性アミノ酸 塩基性アミノ酸 アルギニン リシン ヒスチジン グルタミン酸 アスパラギン酸 アルギニン残基の解離 タンパク質分子の上の酸塩基側鎖 赤色 グルタミン酸 アスパラギン酸 青色 アルギニン リシン ヒスチジン ２つのグルタミン酸と１つのアルギニン pHにより電荷の合計が異なる 正味の電荷がゼロ 等電点 電気泳動によるタンパク質の分離 タンパク質の表面電荷の差を利用 pH1.5 等電点を利用したタンパク質の分離 pH9.5 ー ＋ ＋ ＋ ー ー ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ー ＋ ー ＋ ＋ ＋ ー ＋ ー ＋ 反発 ー ＋ ー ー ＋ ＋ ー ーー ー ＋ ＋ ー ー ＋ ー ー ＋ pH5.5 ー ＋ー ＋ ー ー ー ー ー ＋ ー 演習１ ー ＋ 反発 ー ＋ ＋ ＋ ー アミノ酸の一種グリシンの等電点におけるpHを 計算せよ pKa1=2.35 pKa2=9.78 ⇄ ⇄ ヘンダーソン・ハッセルバルヒ式 ー ＋ ー 6.07 反発しない（凝集沈殿） pKa1=2.35 演習１ pKa2=9.78 ⇄ ⇄ ヘンダーソン・ハッセルバルヒ式 pKa1=2.35 演習１ pKa2=9.78 ⇄ ⇄ pKa1=2.35 演習１ pKa2=9.78 ⇄ ⇄ ヘンダーソン・ハッセルバルヒ式 なので 6.07 pKa1=2.35 演習１ pKa2=9.78 ⇄ ⇄ なので 6.07 グリシンはpH6.07で正味の電荷がゼロになる 生体内での化学反応 生体内での化学反応 グルタミン酸 アンモニウム ⇄ グルタミン !rG˚＜0 反応は自発的に進行する !rG˚＞0 反応は自発的に進行しない 多くの反応は、 !rG˚＞0 例 グルタミン酸 アンモニウム ⇄ グルタミン Glu + NH4+ + ATP ⇄ Gln + ADP + Pi アデノシン三リン酸(ATP) 生物学的標準ギブズエネルギー 生物学的標準ギブズエネルギー ATP + H2O →ADP + Pi + H3O+ 生物系の標準ギブズエネルギーは、pH7を標準状 態とするのが適当 ATP + H20 → ADP + Pi + H3O+ 生物学的標準 ATP + H20 → ADP + Pi + H3O+ ギブズエネルギー 細胞内では、ATPの濃度がADPの濃度より 10倍高い グルコース1モルから36モルのATP 生物学的標準ギブズエネルギー ATP + H20 → ADP + Pi + H3O+ pH 0では pH 7では 生物学的標準 ギブズエネルギー 通常の標準状態では濃度は1M 1Mの H3O+
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