酸・塩基 酸・塩基・塩 酸とか塩基とか知ってますか？中学で酸性、中性、アルカリ性なんていうのをやったと思うけど、まあ、あの延長かな？ でも高校では、水が酸や塩基として振舞ったり、水もないのに中和が起こったり、新しい概念、どんどん出てきます。また、酸化還元と合わせて受験では絶対出題の分野。 でも化学現象はすべて当たり前のこととして起こる。 高校では例外的なことなんてほとんどないから、覚えたことは、なんにでも応用が利きます。期待してください！ 酸、塩基の定義だけど、アレーニウスの定義と、ブレンステッドの定義の２つがあります。めんどくさいって？まあ問題になるのはブレンステッドのほうがほとんどだけど。 アレーニウスの定義：水溶液中で水素イオン(実際はオキソニウムイオンになっている)を放出する物質を酸、水酸化物イオンを放出する物質を塩基という。 ブレンスッテドの定義：水素イオンをほかに与えることのできる物質を酸、ほかから受け取れる物質を塩基という。 アレーニウスが今までの酸やアルカリって感じで、ブレンステッドか高校の酸塩基って感じ。 たとえば水はアレーニウスの定義では、酸や塩基になるわけがない。でもブレンステッドの定義では、水素イオンを受けっとて、オキソニウムイオンになれるので塩基になる。そうかと思うとアンモニアなんかに対して水素イオンを与える(自分は水酸化物イオンになる)ので、酸にもなる。つまり高校では”水素イオンのやり取り”が重要になってくる。酸・塩基の問題を解くときはいつも水素イオンに目をつけておくこと。 塩というのは、中和によってできる物質で、水以外のものとでも覚えておいて。まあ定義より感覚でとらえてもらえばいいかな。 塩酸と水酸化ナトリウムの中和では塩化ナトリウムという塩ができる。 ただ、高校では、酸性塩、塩基性塩、正塩というものがある。酸性塩は水素イオンの残ってる塩(炭酸水素ナトリウム、リン酸２水素ナトリウムなど)、塩基性塩は水酸化物イオンの残ってる塩（ＭｇＣｌ（ＯＨ）など)、正塩はどちらも残っていない塩。 定義は簡単。でも、炭酸水素ナトリウムは酸性塩だが、水溶液は塩基性、塩化アンモニウムは正塩だが、水溶液は塩基性になる。さっきと言ってることが違うって、実はそんなことはない、水溶液が酸性や塩基性に傾くことのほうが自然で、酸性塩とかいうのは分類のために人間が勝手につけた名前。ネーミングのほうが不自然なの！ 酸塩基の強弱 まず電離度というものを導入。電離度α＝(電離している電解質の物質量)／(溶解している電解質全体の物質量) 　このαが１に近い酸を強酸、塩基を強塩基という。当然１より十分に小さいものをそれぞれ弱酸、弱塩基という。 これはふくまれる水素イオンや、水酸化物イオンの数とは関係ない。ＨＣｌは強酸だし、Ａｌ(ＯＨ)３は、弱塩基になります。以下に上げるものくらいは暗記してください。 強酸：塩酸、硫酸、硝酸 弱酸：炭酸、酢酸、青酸 強塩基：水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム 弱塩基：アンモニア、水酸化マグネシウム そうそう、１分子の酸から水素イオンとして電離できる水素の数をその数の価数といいます。価数１の酸を１価の酸といいますね。同様に塩基も価数を定めます。このときは、水素化物イオンの数になるね。この価数はあくまで電離できる水素の数。 酢酸(ＣＨ３ＣＯＯＨ)分子中に水素を４つ持っているが電離できるのは、最後の１個だけ。だから１価の酸です。えっ、ほかの水素が取れない理由？それは有機化学でやります。 普通濃度が下がると電離度が上がります。電離平衡から見れば、当たり前だけど、�Uをやらない人は覚えといてください。 酸化物の分類 酸化物を以下のように分類します。 酸性酸化物：酸としてはたらく酸化物。非金属元素の酸化物が多い。 例：ＣＯ２、ＳＯ２ 塩基性酸化物：塩基としてはたらく酸化物。金属元素の酸化物が多い。 例：Ｋ２Ｏ 両性酸化物：酸とも塩基とも反応する酸化物。両性金属の酸化物。 例：Ａｌ２Ｏ３ 酸性酸化物や、塩基性酸化物は水と作用させれば酸や塩基になるものがほとんど。でも両性酸化物はよくわかんないかな。まあ、両性酸化物は、強酸、強塩基の水溶液両方に溶けるといったかんじにとらえとこう。両性金属で詳しく扱うつもりだけど、水酸化ナトリウム水溶液に溶ける金属があり、それが両性金属となる。Ａｌ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｐｂがこれにあたる。 ところで、一酸化炭素は普通、酸としても塩基としても働きません。私はこのような酸化物を中性の酸化物と勝手に呼んでいますが、本当のネーミングかどうかはよく分かりません。正式名称を知っている方は教えてください。 加水分解・遊離 さっき扱ったように、酸や塩基は水溶液中では一部が電離し、残りはそのままとなっていて、その割合は濃度が同じなら一定になります。そこで ＣＨ３ＣＯＯＨ→ＣＨ３ＣＯＯ−＋Ｈ＋・・・�@ これは酢酸の電離なんだけどもしこの方向のみに反応が進んだら、電離度は１になりますね。でも実際はα＝０．０１３くらいなんです。ここまで電離すれば、反応が止まるという考え方もあります。でも実際は ＣＨ３ＣＯＯ−＋Ｈ＋→ＣＨ３ＣＯＯＨ・・・�A あるいは ＣＨ３ＣＯＯ−＋Ｈ２Ｏ→ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＯＨ−・・・�B の反応が同時に進行しそのスピードのつりあいにより割合は一定になると考えられています。というかそうなんだけど。 ここで酢酸ナトリウムを水に溶かしたときの事を考えてみよう。水には水素イオンはほとんど含まれていないので、電離した酢酸イオンは�Bの反応を起こし電離度をαに近づけるようになります。酢酸のみに注目すれば酢酸と酢酸イオンのみで電離度が決まるのでこれは自然なことと納得できるでしょう。そうなると同時に生成される水酸化物イオンが液中に出てきます。これにより水溶液は塩基性となるわけです。このように弱酸のイオンが水と反応して酸に戻る反応を酸の加水分解っていいます。もちろんこんな反応は弱塩基でも起きます。んでこっちは塩基の加水分解になるわけ。アンモニウムイオン加水分解なんかがいい例(こっちはオキソニウムイオンが出ます)。自分で反応式考えてみてね。 このように塩を水に溶かすと加水分解が起きて厳密には中性からずれます。地道に考えればその溶液がなに性なのかはわかるはず。でも結果だけ覚えてしまうというのも手段の1つなので紹介する。強酸強塩基からなる塩はどちらも加水分解は起こらないので中性。弱酸強塩基では酸の加水分解がおきて塩基性に、強酸弱塩基の塩は塩基の加水分解がおきて酸性になる。つまり酸塩基のうち強いほうの性質がでるんです。このように覚えておけば各酸塩基の性質を知っているだけで、塩の性質が読めてしまうわけです。炭酸水素ナトリウムでは炭酸水素イオンが弱酸であるため強塩基であるナトリウムの性質がでる、ってな感じに問題が解けます。もっとも理由を説明しろなんていわれると、加水分解知らないとかなりつらいね。まあ文系用の問題の解き方ってことよ。理系の人はちゃんと理由も押さえとこう。ちなみに弱酸弱塩基の塩の場合ときかたは複雑になる。高校の範囲を超えるから出題されないはずだよ。 上のように説明するとなんかほとんどの弱酸、弱塩基のイオンは水溶液中にないように感じるけど加水分解を起こすのはイオン全体の数から見るとごくごく一部です。これは電離平衡という概念を導入しなければどうしても説明できないのです(すいません)。ですから、酢酸ナトリウム水溶液の(酢酸イオン数)／(酢酸分子の数）が普通のα（０と近似可能）になるなんてことはありません。感覚的にとらえるとするなら水素イオンや、水酸化物イオンはそれだけではあんまり安定しないんで相手があれば中和して水になりたがると考えるといいかな。だから、あえて水素イオンを作るような反応は起きにくいと思ってください。 上のを利用するとこんなこともできます。たとえば、フェーノル(石炭酸)というかなりの弱酸がありまして、これは水にほとんど溶けない(いいかえせば少しは溶ける)固体(温めると融ける)なんだけど、流石、酸だけあって水酸化ナトリウム水溶液には溶けるんです。で、液中ではフェノキシドイオンになっているんだけど、こいつは弱酸だからフェーノルに戻りたい。でもフェノールに戻ると水酸化物イオンができてしまうだから仕方なくほとんどはフェノキシドイオンになってる。そこで塩酸をこの水溶液に加えるとどうなるか。水素イオンがあればこっちのもの、その水素イオンをとりこんでフェノールに戻れるんです。で、フェノールは水に溶けないので固体として出てきます。もちろん考え方は自由で加水分解の水酸化物イオンが中和されるとしてもいいです。ややアルカリに傾いているので、塩酸で中和されると考えてもいいかな。理解したいように理解して。このようにして弱酸、弱塩基が出てくることを弱酸、弱塩基の遊離といいます。こうすれば、塩として水にとけている弱酸や弱塩基のイオンを酸や塩基として取り出せるんです。有機化学ではじゃんじゃん使うんで覚えとこう。 ここで、、塩やイオンのとらえ方を説明。酸や塩基は強ければ強いほど塩になりたがり、弱くなると酸や塩基のままでいたがるわけ。さらに水素イオンや水酸化物イオンは相手がいれば水になりたがると覚えよう。大体これでほとんどの問題に対応できる。少なく覚えて、多く利用。これが考える化学だ。 水素イオン濃度とｐＨ さっきさんざん水素イオンは不安定だと言っといてこの分野をやるのははっきりいっていやだな。ここでは対数と言うのを使います。対数の説明は・・・ここでは省略。数学�Uの教科書に書いてあるんで読んどいて。 まずは簡単なのから。水素イオン濃度。これは水素イオンのモル濃度です。まあふつうにやりゃ出来るんだけど、水素イオン濃度の場合電離がかかわってきます。まあ一応公式にするなら酸のモル濃度をｃ(ｍｏｌ／ｌ)、酸の電離度をα、価数をｍとすると水素イオン濃度はｍｃα（ｍｏｌ／ｌ)となる。塩基の場合同様に水酸化物イオン濃度を求められます。 うわー一番やなのが来たー。水のイオン積というものです。これはえっと水はごく微量ながら電離しているというものなんです。さっきと言っていることが違うって。そうなんだけど、ホント普段は無視できる程度なんだ。でもこれがっけこう重要。電離しているってことは水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度があるわけで、その濃度にはある関係があるんです。これが水のイオン積と言うものです。まず水素イオン濃度を[Ｈ＋]（ｍｏｌ／ｌ)、水酸化物イオン濃度を[ＯＨ−]（ｍｏｌ／ｌ)とすると、水のイオン積の定数Ｋｗがあって　Ｋｗ＝[Ｈ＋][ＯＨ−]　が成立します。Ｋｗは２５℃で１．０×１０−１４。対数を使うとｌｏｇＫｗ＝−１４となります。純粋な水では[Ｈ＋]＝[ＯＨ−]が成立するので、[Ｈ＋]＝１．０×１０−７ｍｏｌ／ｌとなるんです。 ちょっと補足です。 ［　　］で囲まれた物質は、そのモル濃度を表します。そのうち断りなく使うんでよろしく。 化学ではｌｏｇの底を省略したとき、その底を１０とします。これを常用対数といいます。でも数学では底を省略するとその底はｅとなります（自然対数）。このときはｌｎという書き方をしたりします。 ［ＮａＯＨ］＝１．０×１０−７（ｍｏｌ／ｌ）とはどのくらいか？これは１００ｍｌの水にＮａＯＨ０．００００００４ｇ溶かしたものです。ってこんなんどーやって量るんだ。というわけで普段は省略できるんです。 このＫｗは温度が一定なら一定で［Ｈ＋］の値に関係しないんです。つまり［ＨＣｌ］＝０．１（ｍｏｌ)のとき［Ｈ＋］＝０．１となる。つまり［ＯＨ−］＝１０−１３となるんです。さてこの値。１０−７でもほとんど０なのに１０−１３って値としてみなせるの？はっきりいって理論値で普段はないとみなします。ていうかあるとすれば酸性溶液中に水酸化物イオンがあることになる。そんなのやっぱり変じゃん。だから理論値。理屈ではあるけど実際はないに等しいって考えて。 こう考えるとどんな溶液でも［Ｈ＋］がでます（あくまで理論的に）。塩基性下では［ＯＨ−］を求めてＫｗを割ればいいです。そこでｐＨ＝−ｌｏｇ［Ｈ＋］として、ｐＨを定めます。このとき中性ではｐＨ＝７となり、それより大きければ塩基性、小さければ酸性となる。 割と濃い溶液では１０に薄めるをｐＨは７に１つ近づきます。ただｐＨ５〜９くらいでは水の電離が無視できなくなる。そのため酸性の溶液を何倍に薄めてもｐＨは７より大きくなりません。同様に塩基性では７より小さくなりません。 中和滴定 まあ量的関係から。ちょうど中和するとき（水素イオンの総物質量）＝（水酸化物イオンの総物質量）となる。特にｍ価、ｃ（ｍｏｌ／ｌ）の酸、Ｖ(ｌ)とｍ’価、ｃ’(ｍｏｌ／ｌ)の塩基Ｖ’(ｌ)がちょうど中和するときｍｃＶ＝ｍ’ｃ’Ｖ’が成立。このときそれぞれの電離度は関係しません。時々トラップとしてかいてあるけどここでは無視です。なぜって・・・・、これも電離平衡からもってくんだけど・・・・、ここでは中和が優先されると思ってください。厳密には正しくないんだけどセンターなら大丈夫！(のはず) さっきのところで塩はどちらかに傾く話をしましたね。それと同じでこの滴定でも過不足なく反応してもｐＨ＝７とはなりません。どちらかに(酸・塩基の)強弱があれば強いほうに傾きます。理屈は上ね。中和したのに中性にならにってどういうこと？なんていわないでね。実際リトマス試験紙でははかりとれるかどうか程度しか傾いていないんだから。ｐＨも５〜９くらいに収まると思います。 滴定曲線というものがあります。滴定の様子をグラフ化したもので普通縦軸にｐＨ、横軸に加えた液量をとります。このとき問題になるのは指示薬。代表的なのはフェノールフタレインとメチルオレンジ。フェーノルフタレインの変色域はｐＨ８．３〜１０(酸性で無色、塩基性で赤)、メチルオレンジはｐＨ３．１〜４．４(酸性で赤、塩基性で黄色)。さっきの中和完了のときのｐＨのずれを考えて、滴定曲線を書くとこんな感じ。 これから分かるように滴定には向く指示薬、向かない指示薬があります。早い話、強酸があればメチルオレンジを、強塩基があればフェノールフタレインを使えってこと(両方強いときは色の変化のはっきりしているフェーノルフタレインがお勧め)。そうしないと滴定量はっきりしないよね。 そういえば中性付近でこんなに変化するのか？って疑問が出てきそうだね。ためしに計算してみよう。１００ｍｌの中性の水溶液があったとして、ここで滴定は終わりになる。しかしあやまって０．１ｍｏｌ／ｌの塩酸を１滴(０．１ｍｌ)加えてしまったとする。体積はほとんど変化していないので１００ｍｌとすると[Ｈ＋]＝０．００１くらいになるかな。よってこのｐＨは３になるね。塩基性でも同じ。水酸化ナトリウム１滴でもｐＨ９や１０すぐにいってしまいます。このくらいｐＨとは敏感に変化するんです。こうしてみると塩がどちらかに傾くなんていうのは、ごくごく小さなものだと分かりますね。 弱酸、弱塩基が絡むとｐＨ７付近の変化がなだらかになります。これは、緩衝作用といって、�Uで詳しくやりますが、弱酸とその塩の混合水溶液および弱塩基とその塩の混合水溶液にはそのｐＨ変化を小さくおさえる働きがあることを記憶しておいてください。 最後に器具について。ここで覚えるのは４つ。まず溶液を滴下するビュレット、１０ｍｌ程度の量を的確に量るホールピぺット、ホールピペットで量った溶液を薄める、メスフラスコ、溶液を入れるコニカルビーカー。どんなものかは資料で確認！問題になるのはこいつらの洗い方。ホールピペットとビュレットは水で洗った後使う溶液で洗ってください(共洗い)。もちろんこれは溶液の濃度変化を避けるため。たとえ洗って乾燥させた器具があったとしても、使う溶液で洗ってください。メスフラスコとコニカルビーカー純粋な水で(水道水不可)洗ってぬれたまま使います。まあメスフラスコは薄める液体を入れてから水を加えるのでＯＫ。コニカルビーカーも純粋な水がついてても結果に影響はしません。 指示薬は変化が分かる程度で出来る限り少なくが基本。だからコニカルビーカーがフェノールフタレインでぬれているのは流石にマズイ。だって普通指示薬も反応物として反応するんだもん(っていうか反応するから色とかかわるんじゃ)。だから入れすぎはよくない。試験にはあんまりでないけどいざ実験するときは結構大きいよ。(水質調査のときはこれでもめまくった。そのときの指示薬は薄すぎると変化が見えないし濃すぎるといつ変わったのかわかんなくなった。おかげで３つの近似可能なデータを取るのに１０回も滴定した。これを楽しめれば君も立派な化学マニア。) 最後に ここではいろんなことを学びました。本編で何度も触れたけど、ここでは実生活においてはほとんど無視できるが、理屈上、そして厳密には存在するというのには十分気をつけてください。水のイオン積、塩の傾きなんていうのがそれにあたります。これらは、「必要があれば考えて、それ以外は無視」が基本。加水分解するイオンも電離している水も全体から見ればほんの一部。だから必要なときのみそれらを議論するするようにしないとホントにパニックになって先へ進めなくなってしまいます。でも実際パニックになっている人はそれはそれで自信をもってください。すべてを理解しているからこそパニックになるのであって、中学の知識ではパニックになれないから！問題を解くうちに先は見えてくるはずです。 ここの説明では相当な量の誤魔化しが含まれています。出来る限り断ったつもりなんですがなにぶん使える概念が限られているので、いくつか事実に反する点も含まれています。ほとんどは平衡の概念があれば解決できますが「なぜ、平衡が成立するのか」といわれたら、それは私にも分かりません。ですが、化学なんてそんなもので突き詰めていけば教科書なんて嘘や間違いだらけなんです（いいすぎ）。ですからこのページでは結果しか書かれていないつまらない教科書の事実にこう考えれば自然にとらえられる、という補足をいれるのを目指しています。私も所詮ただの大学生。このへんが限界なんです。すいません。 戻る