中和ちゅうわ (化学かがく)

水酸化すいさんかナトリウムと塩酸えんさんの中和ちゅうわ反応はんのう。指示しじ薬やくはブロモチモールブルーである。

中和ちゅうわ反応はんのう（ちゅうわはんのう、英語えいご: neutralization reaction）は、酸さんと塩基えんき(アルカリ）が塩しおと水みずを成なりする化学かがく反応はんのうである。ほとんどの場合ばあい、同時どうじに水みずが生成せいせいする。アレニウスの酸さんと塩基えんきの中和ちゅうわは、必かならず水みずと金属きんぞく塩しおを生成せいせいする。

多おおくの場合ばあい、中和ちゅうわ反応はんのうは発熱はつねつ反応はんのうである。例たとえば、水酸化すいさんかナトリウムと塩酸えんさんの反応はんのうである。しかし、炭酸たんさん水素すいそナトリウムと酢酸さくさんの中和ちゅうわのように吸熱反応はんのうとなる中和ちゅうわ反応はんのうも存在そんざいする。

中和ちゅうわ反応はんのうは、その結果けっか必かならずpHが7になるというものではない。最終さいしゅう的てきなpHは反応はんのう物ぶつの酸さんと塩基えんきの強つよさによって変かわる。

アレニウスの酸さんと塩基えんき

定義ていぎ

アレニウスの酸さんは水溶液すいようえき中なかで水素すいそイオンを生成せいせいするものと定義ていぎされる。塩酸えんさんや硫酸りゅうさんはアレニウスの酸さんの例れいとしてよく用もちいられる。それは、それらの酸さんが水みず溶液ようえき中なかで次つぎのように電離でんりする。

${\ce {HCl -> {H+(aq)}+ Cl^{-}(aq)}}$

${\ce {H2SO4 -> {2H+(aq)}+ SO4^{-}(aq)}}$

アレニウスの塩基えんきは水溶液すいようえき中ちゅうで水酸化物すいさんかぶつイオンを生成せいせいするものと定義ていぎされる。この定義ていぎに当あてはまる塩基えんきは、化学かがく式しき中なかにOHを含ふくんでいなければならないため大おおきく限定げんていされる。水酸化すいさんかナトリウム、水酸化すいさんかカリウム、水酸化すいさんかセシウムなどはそのような塩基えんきの代表だいひょう例れいである。塩基えんきは水溶液すいようえき中ちゅうで以下いかのように電離でんりする。

${\ce {KOH(aq)->{K^{+}(aq)}+OH^{-}(aq)}}$

${\ce {CsOH(aq)->{Cs^{+}(aq)}+OH^{-}(aq)}}$

イオンの反応はんのう

酸さんと等価とうかの塩基えんきが反応はんのうすると、中和ちゅうわ反応はんのうが起おこる。H⁺とOH⁻は混合こんごうすると互たがいの性質せいしつを打うち消けしあい、pHが7に近ちかづく。アレニウスの酸さんと塩基えんきの中和ちゅうわでは、常つねに水みずが生成せいせいする。一般いっぱん的てきな反応はんのう式しきは下したのようになる。

${\ce {{YOH}+ HX -> {XY}+ H2O}}$

YとXは、それぞれ一いち価かの陽ひイオンと陰かげイオンである。XYは生成せいせいした塩しおである。この形かたちの反応はんのうの例れいは、水酸化すいさんかナトリウムと塩酸えんさんの反はん応おうである。このときは、ナトリウムがY、塩素えんそがXとなり、

${\ce {{HCl}+ NaOH -> {NaCl}+ H2O}}$

水みずと食塩しょくえんが形成けいせいされる。

この反応はんのうは、イオン反応はんのう式しきと考かんがえることもできる。

${\ce {{H^{+}}+OH^{-}->H2O}}$

しかし、中和ちゅうわ反応はんのうにおいて、水溶液すいようえき中ちゅうに実際じっさいに水素すいそイオン(H⁺)が生しょうじることはないため、この表現ひょうげんは正確せいかくではない。その代かわり実際じっさいは、下記かきの反応はんのうでヒドロニウムイオン(${\ce {H3O^+}}$)が生しょうじる。

${\ce {H^+\ + H2O -> H3O^+}}$

ヒドロニウムイオンを考かんがえると、実際じっさいのイオン反応はんのう式しきは次つぎのようになる。

${\ce {H3O^+\ + OH^- -> 2H2O}}$

一般いっぱん的てきな中和ちゅうわ反応はんのう

中和ちゅうわ反応はんのうは複ふく分解ぶんかいの一種いっしゅである。中和ちゅうわ反応はんのうが起おこると、水みずの他ほかに塩しおが生成せいせいする。その反応はんのう式しきは以下いかのように表あらわされる。

酸さん + 塩基えんき → 塩しお + 水みず

${\ce {{HA}+ BOH -> {BA}+ H2O}}$

この反応はんのう中ちゅうでカチオンとアニオンが入いれ替かわり、塩しおが作つくられる。

例れいとして塩酸えんさんと水酸化すいさんかナトリウムの中和ちゅうわ反応はんのう式しきを挙あげると次つぎのようになる。

${\ce {{NaOH}+ HCl -> {NaCl}+ H2O}}$

塩化えんかナトリウム（一般いっぱん的てきには食塩しょくえん）が生成せいせいしている。

他たには次つぎの反応はんのうが挙あげられる。

• 硫酸りゅうさんとアンモニア水溶液すいようえきの反応はんのう。塩しおは硫酸りゅうさんアンモニウム。

${\ce {H2SO4\ + 2NH4OH -> (NH4)2SO4\ + 2H2O}}$

• 炭酸たんさんと水酸化すいさんかナトリウムの反応はんのう。塩しおは炭酸たんさんナトリウム。

${\ce {H2CO3\ + 2NaOH -> Na2CO3\ + 2H2O}}$

• 塩酸えんさんと水酸化すいさんかアルミニウム（水みずに難なん溶）の反応はんのう。塩しおは塩化えんかアルミニウム。

${\ce {3HCl\ + Al(OH)3 -> AlCl3\ + 3H2O}}$

酸さんとアルカリ

酸さん-アルカリ反応はんのうは、酸さん-塩基えんき反応はんのうの特別とくべつな場合ばあいと考かんがえられる中和ちゅうわ反応はんのうである。ここで、用もちいられた塩基えんきはアルカリ（塩基えんきの中なかでも特とくに水みずに溶とけ易やすいものをアルカリと呼よぶ）でもある。酸さんがアルカリと反応はんのうすると、金属きんぞく塩しおと水みずが生成せいせいする。

一般いっぱん的てきに、酸さん-アルカリ反応はんのうは、反応はんのうに関与かんよしないイオンを省略しょうりゃくして次つぎのように単純たんじゅん化かされる。

${\ce {OH^{-}(aq)\ + H^{+}(aq) -> H2O}}$

酸さんは、一般いっぱん的てきに水素すいそイオン (H⁺) を含ふくむか、溶液ようえき中ちゅうで生しょうじる物質ぶっしつである。塩酸えんさん (HCl) や硫酸りゅうさん (H₂SO₄) 等とうがよく知しられている。水中すいちゅうでは、これらは次つぎのようにイオンに解離かいりする。

${\ce {HCl -> H^{+}(aq)\ + Cl^{-}(aq)}}$

${\ce {H2SO4 -> H^{+}(aq)\ + HSO4^{-}(aq)}}$

アルカリは、周期しゅうき表ひょうの1族ぞくか2族ぞくの金属きんぞく（アルカリ金属きんぞくかアルカリ土ど類るい金属きんぞく）を含ふくむ塩基えんきである。アルカリは、「水溶すいよう性せいの塩基えんき」として定義ていぎされる。一般いっぱん的てきに、塩基えんきは、水酸化物すいさんかぶつイオン (OH^-) を含ふくむか、溶液ようえき中ちゅうで生しょうじる物質ぶっしつである。水酸化すいさんかナトリウム (NaOH) や水酸化すいさんかカリウム (KOH)、水酸化すいさんかマグネシウム (Mg(OH)₂)、水酸化すいさんかカルシウム (Ca(OH)₂) 等とうがよく知しられている。1族ぞくの金属きんぞくを含ふくむアルカリは非常ひじょうに水みずに溶とけやすいが、2族ぞくの金属きんぞくを含ふくむアルカリはあまり溶とけない。アルカリ土ど類るい金属きんぞくの水酸化物すいさんかぶつは不溶性ふようせいであるとする文献ぶんけんもあるほどである。

水中すいちゅうで水酸化物すいさんかぶつイオンを生成せいせいするために、アルカリは次つぎのようにイオンに解離かいりする。

${\ce {NaOH -> Na^{+}(aq)\ + OH^{-}(aq)}}$

しかし、アルカリは、アルカリ金属きんぞくやアンモニウムイオン ${\ce {(NH4^{+})}}$、アミン（NH_xラジカル）等とうの陽ひイオンに炭酸たんさん塩しお ${\ce {(CO3^{2-})}}$ が結合けつごうした物質ぶっしつを含ふくむより広ひろい定義ていぎが用もちいられることもある。このような定義ていぎの場合ばあい、${\ce {Li2CO3}}$、${\ce {Na2CO3}}$、${\ce {(NH4)2CO3}}$等ひとしもアルカリである。

非水ひすい反応はんのう

非水ひすい反応はんのうでは水みずは生成せいせいしないが、プロトンのドナーは必かならず存在そんざいする（ブレンステッド-ローリーの酸さん塩基えんき理論りろん参照さんしょう）。酸さんと塩基えんきの定義ていぎには様々さまざまな種類しゅるいがあるため、様々さまざまな反応はんのうを中和ちゅうわ反応はんのうと見みなすことができる。以下いかの反応はんのうは全すべて、異ことなった定義ていぎの下したで中和ちゅうわ反応はんのうと見みなせる。

${\ce {HCl\ + NaOH -> NaCl\ + H2O}}$

${\ce {2HCl\ + Mg -> MgCl2\ + H2}}$

${\ce {2HCO2H\ + MgO -> Mg(HCO2)2\ + H2O}}$

${\ce {HF\ + NH3 -> NH4F}}$

生成せいせい物ぶつのpH

中和ちゅうわ反応はんのうでは、生成せいせい物ぶつのpHが必かならず7になるとは限かぎらない。強酸きょうさんと強つよし塩基えんきの中和ちゅうわ反応はんのうの場合ばあい、生成せいせい物ぶつのpHは7になる。例たとえば、強酸きょうさんHClと強つよし塩基えんきNaOHは、反応はんのうして食しょく塩水えんすいを生しょうじる。

${\ce {HCl\ + NaOH -> H2O\ + NaCl}}$

H₃O⁺またはOH^-の濃度のうどの正味しょうみ変化へんかがないので、最終さいしゅう的てきなpHは7となる。

弱酸じゃくさんと強つよし塩基えんきの中和ちゅうわの場合ばあい、生成せいせい物ぶつのpHは7よりも大おおきくなる。例たとえば、弱酸じゃくさん${\ce {CH3COOH}}$と強つよ塩基えんきNaOHは、反応はんのうして水みずと${\ce {Na^+}}$、${\ce {CH3COO^-}}$を生しょうじる。

${\ce {CH3COOH\ + NaOH -> Na^+\ + H2O\ + CH3COO^-}}$

Na⁺は反応はんのうに関与かんよしないイオンである。しかし、酢酸さくさんイオンは弱じゃく塩基えんきであり、水みずからプロトンを奪うばってOH^-イオンを生成せいせいする。

${\ce {CH3COO^- + H2O <=> CH3COOH\ + OH^-}}$

従したがって、生成せいせい物ぶつの溶液ようえきは塩基えんき性せいとなる。

弱じゃく塩基えんきと強酸きょうさんの中和ちゅうわの場合ばあい、生成せいせい物ぶつのpHは7よりも小ちいさくなる。例たとえば、弱じゃく塩基えんきCN^-と強酸きょうさんHClは、反応はんのうしてCl^-とシアン化水素しあんかすいそ酸さんHCNを生しょうじる。

${\ce {{CN^{-}}+HCl->{Cl^{-}}+HCN}}$

Cl^-は反応はんのうに関与かんよしないイオンである。しかし、シアン化水素しあんかすいそ酸さんは弱酸じゃくさんであり、水みずをプロトン化かしてH₃O⁺イオンを生成せいせいする。

${\ce {{HCN}+H2O<=>{CN^{-}}+H3O^{+}}}$

従したがって、生成せいせい物ぶつの溶液ようえきは酸性さんせいとなる。

弱酸じゃくさんと弱じゃく塩基えんきの中和ちゅうわの場合ばあい、生成せいせい物ぶつのpHは、反応はんのう物ぶつの酸さんと塩基えんきの相対そうたい強つよさに依存いぞんする。例たとえば、弱じゃく塩基えんき${\ce {CN^-}}$と弱酸じゃくさん${\ce {CH3COOH}}$は、反応はんのうして${\ce {HCN}}$と${\ce {CH3COO^-}}$を生しょうじる。${\ce {CH3COOH}}$ (pK_a=4.75) は、${\ce {HCN}}$ (pK_a=9.2) よりも強つよい酸さんであるため、平衡へいこうは右みぎにずれ、等とうモルの弱酸じゃくさんと弱じゃく塩基えんきを生しょうじる。

${\ce {{CN^{-}}+CH3COOH<=>{HCN}+CH3COO^{-}}}$

酢酸さくさんイオンはさらに水みずと反応はんのうし、酢酸さくさんとOH^-イオンを生成せいせいする。

${\ce {{CH3COO^{-}}+H2O<=>{CH3COOH}+OH^{-}}}$

この例れいの場合ばあい、生成せいせいした溶液ようえきは塩基えんき性せいである。しかし、これは、弱酸じゃくさんと弱じゃく塩基えんきの中和ちゅうわ反応はんのうの一般いっぱん的てきな法則ほうそくではない。

計算けいさん

中和ちゅうわには、等とうモルの酸さんと塩基えんきが必要ひつようである。即すなわち、次つぎの公式こうしきが成なり立たつ。

${\ce {a{\times }[A]{\times }V_{a}=b{\times }[B]{\times }V_{b}}}$

ここで、aは酸性さんせい水素すいその数かず、bは塩基えんきが受うけ入いれられるH₃O⁺イオンの数かずを示しめす定数ていすうである。[A]は酸さんの濃度のうど、[B]は塩基えんきの濃度のうどを表あらわす。V_aは酸さんの体積たいせき、V_bは塩基えんきの体積たいせきである。

応用おうよう

酸さんと塩基えんきの未知みちの濃度のうどを決定けっていするためには、滴しずく定じょうが行おこなわれる。pHメーターやpH指示しじ薬やくは、色いろの変化へんかによって中和ちゅうわ点てんを示しめす。モル濃度のうど及および体積たいせきが既知きちの試薬しやくを加くわえて濃度のうど未知みちの物質ぶっしつのモル濃度のうどを計算けいさんするためには、化学かがく量りょう論ろんが用もちいられる。

水みず処理しょりでは、排水はいすいが放出ほうしゅつされた際さいの環境かんきょうへの影響えいきょうを抑おさえるため、しばしば中和ちゅうわが行おこなわれる。pHの調整ちょうせいには、炭酸たんさんカルシウム、酸化さんかカルシウム、水酸化すいさんかマグネシウム、炭酸たんさん水素すいそナトリウム等ひとしの物質ぶっしつが用もちいられる。

酸さんとアルカリの反応はんのうによる中和ちゅうわ反応はんのうは、非常ひじょうに多おおくの場面ばめんで用もちいられる。一般いっぱん的てきなのは、制せい酸さん薬やくの錠剤じょうざいである。この薬くすりは、胃いにおける胃酸いさん (HCl) の過剰かじょう分泌ぶんぴつを中和ちゅうわするためのものである。炭酸たんさん水素すいそナトリウム (NaHCO₃) を服用ふくようする場合ばあいもある。

消化しょうか管かんにおいては、食物しょくもつが胃いから腸ちょうへ移動いどうした時ときにも中和ちゅうわ反応はんのうが起おこる。栄養素えいようそが腸ちょう壁かべに吸収きゅうしゅうされるためには、アルカリ環境かんきょうが必要ひつようであり、そのため膵臓すいぞうは炭酸たんさん水素すいそ塩しおを分泌ぶんぴつして中和ちゅうわ反応はんのうを生しょうじさせる。

その他たの利用りようとしては、肥料ひりょうによる土壌どじょうpHの制御せいぎょがある。植物しょくぶつの生育せいいくに適てきさない酸性さんせいの土壌どじょうには、消石灰しょうせっかい（水酸化すいさんかカルシウム）や石灰岩せっかいがん（炭酸たんさんカルシウム）が用もちいられる。植物しょくぶつの生育せいいくを促進そくしんする肥料ひりょうは、硫酸りゅうさん (H₂SO₄) または硝酸しょうさん (HNO₃) をアンモニア(NH₃) で、硫酸りゅうさんアンモニウムや硝酸しょうさんアンモニウムに中和ちゅうわして製造せいぞうする。

工業こうぎょうでは、石炭せきたんの燃焼ねんしょうの副ふく生成せいせい物ぶつである二酸化にさんか硫黄いおうが大気たいき中ちゅうで水蒸気すいじょうきと結合けつごうして、酸性さんせい雨うとして降ふる。二酸化にさんか硫黄いおうの放出ほうしゅつを抑制よくせいするために、スクラバーという装置そうちが煙突えんとつから出でるガスを収集しゅうしゅうする。この装置そうちは、最初さいしょに炭酸たんさんカルシウムを燃焼ねんしょう室しつに送おくり、ここで炭酸たんさんカルシウムは分解ぶんかいされ、酸化さんかカルシウム（石灰せっかい）と二酸化炭素にさんかたんそになる。生成せいせいした石灰せっかいは、その後ご二に酸化さんか硫黄いおうと反応はんのうし、亜硫酸ありゅうさんカルシウムを生成せいせいする。石灰せっかいの懸かか濁にご液えきは、混合こんごう物ぶつに吹ふき込こまれてスラリーとなり、亜硫酸ありゅうさんカルシウム及および未み反応はんのうの二酸化にさんか硫黄いおうを除去じょきょする。

関連かんれん文献ぶんけん

• Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse. 4th ed. New York: McGraw-Hill, 2003. 526-532.

関連かんれん項目こうもく

• 酸さんと塩基えんき
• 水素すいそイオン濃度のうど/pH

外部がいぶリンク

• 『中和ちゅうわ』 - コトバンク