自己解離

溶媒分子を、プロトンを明らかにして HSol と書くと、この溶媒の自己解離平衡は

${\displaystyle {\ce {{2HSol}<=>{H2Sol^{+}}+Sol^{-}}}}$

と書くことができる。

例えば、

水 ${\displaystyle {\ce {{2H2O}<=>{H3O^{+}}+OH^{-}}}}$

メタノール ${\displaystyle {\ce {2MeOH<=>{MeOH2^{+}}+MeO^{-}}}}$

である。ただし、遊離のプロトンが存在しているわけではなく常に溶媒和している。プロトンを受容した溶媒陽イオンをリオニウム (lyonium)、プロトンを供与した溶媒陰イオンをライエイト (lyate)と呼ぶ^[2]。

自己解離平衡において、生成したリオニウムとリエイトの濃度の積は温度と圧力に依存する一定の値であり、これを自己解離定数、またはイオン積と呼び K_apで表す。厳密にはイオン濃度の代わりにイオン活量を用いるが、一般的に自己解離により生成するイオン濃度は小さいため無限希釈と見なされ濃度と活量はほぼ一致する。

${\displaystyle K_{\mathrm {ap} }=[\mathrm {H_{2}Sol} ^{+}][\mathrm {Sol} ^{-}]/\mathrm {mol^{2}~L^{-2}} }$

水の場合は一般に K_Wで表し、

${\displaystyle K_{\mathrm {W} }=[\mathrm {H_{3}O} ^{+}][\mathrm {OH} ^{-}]/\mathrm {mol^{2}~L^{-2}} }$

である。25 ℃の場合、約10⁻¹⁴である。また、この対数をとって符号を変えた pK_ap（= −log₁₀ K_ap）または pK_W （水の場合約14）を自己解離定数またはイオン積と呼ぶこともある。

自己解離定数は溶媒のプロトン供与性および受容性が高いほど大きくなり、また比誘電率が高いほど解離しやすくなる。また溶媒の比電気伝導度は自己解離により生成するイオンの濃度と移動度の積にほぼ比例し、またイオンの移動度は電気泳動的で特にイオン半径の大きなものはストークスの法則に支配され、溶媒和イオンの半径が小さいほど高く、溶媒の粘度に反比例する^[4][5]。ただし、この比伝導度は水分など極微量の不純物に著しく影響され、自己解離定数の小さい溶媒は特に誤差が大きい。

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主な溶媒の自己解離定数 pK_ap^{[3][5][6][7][8]}

溶媒	平衡	比誘電率	比伝導度 / Ω-1cm-1	pKap	温度
水	${\displaystyle {\ce {2H2O<=>{H3O^{+}}+OH^{-}}}}$	78.54	6.40×10−8	13.996	25℃
メタノール	${\displaystyle {\ce {2CH3OH<=>{CH3OH2^{+}}+CH3O^{-}}}}$	32.6	1.5×10−9	16.7	25℃
エタノール	${\displaystyle {\ce {2CH3CH2OH<=>{CH3CH2OH2^{+}}+CH3CH2O^{-}}}}$	24.3	1.35×10−9	19.1	25℃
エチレングリコール	${\displaystyle {\ce {2HO(CH2)_{2}OH<=>{HO(CH2)_{2}OH2^{+}}+HO(CH2)_{2}O^{-}}}}$	40.8	1.16×10−6	14.2	25℃
ホルムアミド	${\displaystyle {\ce {2HCONH2<=>{HCONH3^{+}}+HCONH^{-}}}}$	109.5	2×10−7	16.8	25℃
アセトニトリル	${\displaystyle {\ce {2CH3CN<=>{CH3CNH^{+}}+CH2CN^{-}}}}$	36.0	1.76×10−7 (20℃)	28.5	25℃
フルオロスルホン酸	${\displaystyle {\ce {2HSO3F<=>{H2SO3F^{+}}+SO3F^{-}}}}$	150	1.085×10−4	7.6	25℃
硫酸	${\displaystyle {\ce {2H2SO4<=>{H3SO4^{+}}+HSO4^{-}}}}$	101	1.044×10−2	2.9	25℃
硝酸	${\displaystyle {\ce {2HNO3<=>{NO2^{+}}+{NO3^{-}}+H2O}}}$	-	3.72×10−2	1.2	25℃
フッ化水素	${\displaystyle {\ce {2HF<=>{H2F^{+}}+F^{-}}}}$	83.6	1.6×10−6	9.7	0℃
ギ酸	${\displaystyle {\ce {2HCOOH<=>{HCOOH2^{+}}+HCOO^{-}}}}$	58.5	6.08×10−5	6.2	25℃
酢酸	${\displaystyle {\ce {2CH3COOH<=>{CH3COOH2^{+}}+CH3COO^{-}}}}$	6.13 (20℃)	1.12×10−8	14.45	25℃
シアン化水素	${\displaystyle {\ce {2HCN<=>{HCNH^{+}}+CN^{-}}}}$	118.8 (18℃)	5×10−7 (0℃)	18.7	12℃
アンモニア	${\displaystyle {\ce {2NH3<=>{NH4^{+}}+NH2^{-}}}}$	22.4 16.9	2.97×10−7 (−35℃)	32.5 27.7	−33℃ 25℃
エタノールアミン	${\displaystyle {\ce {2H2N(CH2)2OH<=>{H3N(CH2)2OH^{+}}+H2N(CH2)2O^{-}}}}$	37.7	-	5.2	25℃
エチレンジアミン	${\displaystyle {\ce {2H2N(CH2)2NH2<=>{H2N(CH2)2NH3^{+}}+H2N(CH2)2NH^{-}}}}$	12.9	9×10−8	15.3	25℃

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水の自己解離に関する熱力学的諸量は以下の通りである^[9]。

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	${\displaystyle \Delta H^{\circ }}$	${\displaystyle \Delta G^{\circ }}$	${\displaystyle \Delta S^{\circ }}$	${\displaystyle \Delta C_{p}^{\circ }}$	${\displaystyle \Delta V^{\circ }}$
自己解離	55.836 kJ mol−1	79.885 kJ mol−1	−80.66 J K−1 mol−1	−223.8 J K−1 mol−1	−22.07 cm3 mol−1

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水の自己解離定数pKapの温度依存性（25MPa） 水の自己解離定数pKapの圧力依存性（25℃）

pH は溶液中の水素イオンの活量、あるいはリオニウムの活量で、

${\displaystyle \mathrm {pH} =-\log _{10}a_{\mathrm {H} ^{+}}}$

と定義されるが、希薄溶液では活量を濃度で近似して、

${\displaystyle \mathrm {pH} \approx -\log _{10}\left([\mathrm {H} ^{+}]/\mathrm {mol~dm^{-3}} \right)=\mathrm {p} K_{\mathrm {W} }+\log _{10}\left([\mathrm {OH} ^{-}]/\mathrm {mol~dm^{-3}} \right)}$

のように表すこともできる。このように、希薄塩基性溶液の pH を [OH⁻] で近似的に求める場合、水の自己解離定数に依存する。

水に代表されるプロトン授受が可能な溶媒を「両性溶媒」と呼び、他にアルコール類や過酸化水素、酢酸などが挙げられる。プロトン供与性は強いが受容性の弱い溶媒を「酸性溶媒」あるいは「プロトン供与性溶媒」と呼び、酢酸や硫酸などがある。一方、プロトン受容性は強いが供与性が弱い、あるいはほとんどない溶媒を「プロトン受容性溶媒」あるいは「塩基性溶媒」と呼び、液体アンモニアやピリジンなどが挙げられる。プロトン供与性溶媒やプロトン受容性溶媒も一部は純溶媒中でもプロトン授受を行っている。一方、プロトン解離がほとんど起こらない溶媒は一般に「非プロトン性溶媒」として区別される。