「酸と塩基」の版間の差分

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'''[[酸]]'''と'''[[塩基]]'''(さんとえんき)は[[化学反応]]における性質である。化学の初期には[[水溶液]]における化学反応を[[水素イオン]]と[[水酸化物イオン]]から説明するものとして酸と塩基を定義付けていたが(アレニウスの定義)、化学の発展とともにその定義は拡張され、今日では水溶液に限定しない一般の化学反応における[[電子配置|電子対]]の授受により酸と塩基は定義付けられている(ルイスの定義)。
 
== 概要定義 ==
酸と塩基の定義は化学の進展により何度か拡張されているが、今日の[[義務教育]]で習う初歩的な定義は[[水溶液]]に関するものであるので。最初にまずは水溶液をベースに酸と塩基を解説する。
[[ファイル:1-Blue_and_red_litmus_paper.jpg|左|サムネイル|リトマス試験紙]]
[[水]]に物質([[溶液|溶質]])(物質)を溶かした上でその水溶液を[[リトマス試験紙]]を水溶液につけてみると、溶かした[[溶液|溶質]]によってリトマス試験紙の色が赤になるものと青になるものがある事が知られている。前者のものを'''酸性'''の水溶液、後者のものを'''塩基性'''(もしくまたは'''アルカリ性''')の水溶液といい、酸性、塩基性の水溶液を作り出した溶質をそれぞれ'''酸'''、'''塩基'''という。
 
リトマス以外の[[化学物質]]に対しても、水溶液が酸性であるか塩基性であるかに応じて、その化学物質を水溶液に入れた時に起こる[[化学反応]]が大きく異なる事が知られており、例えば酸性の水溶液は鉄を溶かして[[水素]]を生じるが、塩基性の水溶液ではそのような反応は起こらない。したがって溶質が酸であるか塩基であるかを知ることは実用上非常に重要である。
酸の例としては[[塩酸]]、[[硫酸]]、[[硝酸]]、[[酢酸]]などが挙げられ、塩基の例としては[[酸化ナトリウム]]、[[水酸化カリウム]]、[[アンモニア]]などが挙げられる。
 
「酸」という名称は、酸には必ず[[酸素]]が含まれるのではないかという[[アントワーヌ・ラヴォアジエ|ラヴォアジエ]]の説による[[#MF1|<sup>MF1</sup>]]{{Rp|page=144}}。しかし後に[[ハンフリー・デービー|デービー]]が、[[塩酸]]という水素と塩素しか含んでいない物質も酸になる事を示した為、この説は修正が必要になった[[#MF1|<sup>MF1</sup>]]{{Rp|page=144}}。そしてデービーの成果は、酸素よりむしろ水素が酸の定義に重要である事を示唆していた[[#MF1|<sup>MF1</sup>]]{{Rp|page=144}}。
酸性と塩基性は逆の性質であり、酸性の水溶液と塩基性の水溶液を混ぜると、'''酸塩基反応'''という化学反応が生じて、より中間的な状態へと近づき、同時に何らかの物質('''塩(えん)'''という)ができる。特に、酸性の水溶液と塩基性の水溶液を適切な量だけ混ぜると、水溶液は酸性の性質も塩基性の性質も持たない状態('''中性''')になる。この過程を[[中和 (化学)|'''中和''']]と呼ぶ。
 
==酸塩基反応==
水溶液がどの程度酸性ないし塩基性であるかは、[[水素イオン指数|'''水素イオン指数pH''']]という尺度で測る事ができる。室温ではpHが7のとき中性、7より小さいとき酸性、7よりも大きいとき塩基性である。なお、厳密な定義は省くが、酸性の度合いが非常に強い場合を[[強酸]]、酸性の度合いが少ない水溶液を[[酸|弱酸]]という。[[強塩基]]、[[塩基|弱塩基]]も同様に定義する。
酸性と塩基性は逆の性質であり、酸性の水溶液と塩基性の水溶液を混ぜると、'''酸塩基反応'''という化学反応が生じて、より中間的な状態へと近づき、同時に何らかの物質('''塩(えん)'''という:えん)ができる。特に、酸性の水溶液と塩基性の水溶液を適切な量だけ混ぜると、水溶液は酸性の性質も塩基性の性質も持たない状態('''中性''')になる。この過程を[[中和 (化学)|'''中和''']]と呼ぶ。
 
水溶液がどの程度酸性ないし塩基性であるかは、[[水素イオン指数|'''水素イオン指数pH''']] ('''pH''') という尺度で測る事ができる。室温ではpHが7のとき中性、7より小さいとき酸性、7よりも大きいとき塩基性である。なお、厳密な定義は省くが、酸性の度合いが非常に強い場合を[[強酸]]、酸性の度合いが少ない水溶液を[[酸|弱酸]]という。[[強塩基]]、[[塩基|弱塩基]]も同様に定義する。
なお、酸・塩基の強さを測る指標はpH以外にも、[[規定度]]・[[酸解離定数]] ({{pKa}}) ・[[酸度関数]] (''H''<sub>0</sub>) などがある。また、酸と塩基には、「硬い」「軟らかい」という表現をされる定性的な性質がある。詳しくは[[HSAB則]]を参照。
 
なお、酸・塩基の強さを測る指標はpH以外にも、[[規定度]]・[[酸解離定数]] ({{pKa}}) ・[[酸度関数]] (''H''<sub>0</sub>) などがある。また、酸と塩基には、「硬い」「軟らかい」という表現をされる定性的な性質がある。詳しくは[[HSAB則]]を参照。
「酸」という名称は、酸には必ず[[酸素]]が含まれるのではないかという[[アントワーヌ・ラヴォアジエ|ラヴォアジエ]]の説による[[#MF1|<sup>MF1</sup>]]{{Rp|page=144}}。しかし後に[[ハンフリー・デービー|デービー]]が、[[塩酸]]という水素と塩素しか含んでいない物質も酸になる事を示した為、この説は修正が必要になった[[#MF1|<sup>MF1</sup>]]{{Rp|page=144}}。そしてデービーの成果は、酸素よりむしろ水素が酸の定義に重要である事を示唆していた[[#MF1|<sup>MF1</sup>]]{{Rp|page=144}}。
 
=== アレニウスの定義 ===
こうした成果を踏まえ、[[スヴァンテ・アレニウス|アレニウス]]は、酸と塩基を以下のように定義した[[#MF1|<sup>MF1</sup>]]{{Rp|page=144}}:
* 酸:水中で[[解離 (化学)|解離]]して[[水素イオン|水素イオン<ce>{H+}</ce>]]を生じる物質
酸性の水溶液と塩基性の水溶液を混ぜ合わせた時に起こる中和は、酸性の水溶液にある[[水素イオン|<ce>{H+}</ce>]]と塩基性の水溶液にある[[水素イオン|<ce>{OH-}</ce>]]が反応して水分子[[水|<ce>{H2O}</ce>]]に変わる過程であると解釈できる。
 
==== 欠点 ====
しかしアレニウスの定義は以下のような欠点を持つことが知られている:
* 水以外の溶液に対しては酸性と塩基性を定義できない[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=320}}
* [[水素イオン|<ce>{OH}</ce>]]を含んでいないアンモニア[[水素イオン|<ce>{NH3}</ce>]]の水溶液が塩基性になる事を説明できない[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=320}}
 
=== ブレンステッド・ローリーの定義 ===
{{Main|ブレンステッド-ローリーの酸塩基理論}}
 
==== 定義 ====
アレニウスの定義における欠点を補うため、[[ヨハンス・ブレンステッド|ブレンステッド]]と[[マーチン・ローリー|ローリー]]は、アレニウスの定義において中心的な役割を果たしている[[水素イオン|<ce>{H+}</ce>]]、すなわち[[陽子|プロトン]](陽子)をベースとして、酸と塩基の概念を以下のように再定義した:
* 酸:プロトン[[水素イオン|<ce>{H+}</ce>]]を他の物質に渡すことができる物質[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=320}}
よってブレンステッド・ローリーの定義における酸と塩基をそれぞれ'''プロトン供与体'''、'''プロトン受容体'''ともいう[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=320}}。なおブレンステッド・ローリーの定義では通常の分子である場合はもちろん、イオン化した分子に対しても酸や塩基が定義できる。
 
==== アレニウスの定義との関係 ====
アレニウスによる酸の定義は、ブレンステッド・ローリーによる酸の定義における「他の物質」が水分子であり、しかも[[水素イオン|<ce>{H+}</ce>]]を水分子に渡す原因が解離である場合に相当するので、ブレンステッド・ローリーによる酸の定義はアレニウスによる酸の定義を含意する。
 
一方ブレンステッド・ローリーによる塩基の定義はアレニウスによる塩基の定義と見かけ上大幅に異なるが、アレニウスによる塩基の中に存在する[[水素イオン|<ce>{OH-}</ce>]]が「他の物質」である反応相手の酸から[[水素イオン|<ce>{H+}</ce>]]を奪って水分子[[水|<ce>{H2O}</ce>]]を生成すると考えれば、ブレンステッド・ローリーによる塩基の定義がアレニウスによる塩基の定義を含意する事が分かる。
 
==== 欠点の解消 ====
アレニウスの定義と違い、定義の範囲を水溶液に限定していないので、アレニウスの定義にあった「水溶液にしか定義できない」という欠点は解消されている。
 
において、アンモニアは水分子から[[水素イオン|<ce>{H+}</ce>]]を奪っているので、ブレンステッド・ローリーの定義における塩基である[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}。
 
==== 定義の相対性 ====
アレニウスの定義と違い、ブレンステッド・ローリーによる酸と塩基の定義は、反応相手となる「他の物質」の存在があって初めて意味を持つものである。したがってある物質Aが「他の物質」Xに対しては酸であるにも関わらず、Xとは異なる「他の物質」Yに対しては塩基であるという事も起こりうる。例えば水は塩酸に対して塩基であるが[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}、アンモニアに対しては酸として働く[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}。
 
==== 共役酸-塩基対 ====
酸(acid)を HA、塩基(base)を B とすると、ブレンステッド・ローリーによる酸塩基反応は一般に次の[[化学反応式]]で表される[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}:
: <math>\begin{matrix}
こうした理由により、[[水素イオン|<ce>{A-}</ce>]]を酸 HAの'''共役塩基'''(conjugate base)と呼び、[[水素イオン|<ce>{HB+}</ce>]]を塩基Bの'''共役酸'''という[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}。
 
=== ルイスの定義 ===
{{Main|en:Lewis acids and bases}}
[[ギルバート・ルイス|ルイス]]による以下の酸と塩基の定義は、ブレンステッド・ローリーの定義より更に広範な範囲をカバーする:
:
 
=== 参考:ウサノビッチの定義 ===
[[1939年]]に[[ソビエト連邦]]のウサノビッチ ({{lang|ru|М. Усанович}}) が提出した定義では、酸は水素イオンおよびその他の[[陽イオン]]を放出するもの、あるいは[[陰イオン]]および電子と結合する能力のあるものはすべて含まれる[[#田中71|<sup>田中71</sup>]]{{要ページ番号|date=2017年8月}}。
 
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