オキソ酸

オキソ酸：定義と種類

オキソ酸は、中心原子にヒドロキシ基(-OH)とオキソ基(=O)が結合し、ヒドロキシ基のプロトンを供与できる化合物です。IUPACの1990年勧告では、アクア酸やヒドロキソ酸もオキソ酸に含まれます。

オキソ酸は、無機[化合物]]から有機化合物まで幅広く存在します。代表的な無機オキソ酸としては、硫酸]、[硝酸]、[リン酸]などが挙げられます。有機[[化合物では、カルボン酸がオキソ酸の一種です。これらのオキソ酸は、酸塩基反応において多原子イオンとプロトンを放出します。しかし、その酸としての強さは、化合物の種類によって大きく異なります。

オキソ酸の反応：脱水縮合

複数のオキソ酸分子は、脱水縮合反応を起こす場合があります。これは、水分子が脱離し、酸分子同士が結合する反応です。例えば、リン酸は脱水縮合によって二リン酸や三リン酸を生成します。酸無水物も、オキソ酸の脱水縮合生成物です。また、遷移金属を含むオキソ酸は、金属オキソ酸（ポリ酸）と呼ばれます。

オキソ酸の酸性度：ポーリングの規則

単核オキソ酸の酸性度の強さを推定する経験則として、ポーリングの規則が知られています。中心元素Eのオキソ酸の化学式がEm(OH)nで表される場合、酸解離定数Kaは次式で近似できます。

pKa ≈ 8 - 5m

ここで、mはオキソ基(=O)の数です。また、n>1の酸では、プロトン解離が1回起こるごとにpKa値が約5ずつ増加します。

しかし、この規則はすべてのオキソ酸に適用できるわけではありません。例えば、炭酸(H₂CO₃)は、この規則に従わない例外です。炭酸の推定pKa値は3ですが、実測値は6.4と大きく異なります。これは、水溶液中の二酸化炭素(CO₂)の多くが炭酸に変換されないためです。この点を考慮すると、炭酸のpKa値は規則に近くなる約3.6となります。

[亜硫酸]もまた、ポーリングの規則に合わないオキソ酸です。亜[[硫酸]]の水溶液では、亜[[硫酸]]分子は検出されず、二亜[[硫酸]]イオン(S₂O₅²⁻)などの生成による複雑な化学平衡が存在するため、見かけ上のpKa値が規則に近似していても、実際には規則に従っていないと言えます。これは、SO₂が水と反応し、プロトンと亜[[硫酸]]水素イオン(HSO₃⁻)を生成する平衡、さらに2つの亜[[硫酸]]水素イオンが反応し、二亜[[硫酸]]イオンと水を生成する平衡が存在するためです。

これらの例からもわかるように、ポーリングの規則はあくまで経験則であり、オキソ酸の酸性度を推定するための目安として用いるべきです。実際の酸性度は、溶液中の化学平衡や他の要因の影響を受けるため、実測値と異なる場合があります。

まとめ

オキソ酸は、様々な無機および有機化合物に存在し、酸塩基反応において重要な役割を果たしています。その酸性度は、オキソ基の数や分子構造、溶液中の化学平衡などによって複雑に影響を受けます。ポーリングの規則は、酸性度の推定に役立つ経験則ですが、例外も存在するため、注意が必要です。オキソ酸の多様な性質と複雑な挙動を理解することは、化学反応の理解に不可欠です。

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