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さん塩基えんき

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さん塩基えんき反応はんのうから転送てんそう

さん塩基えんき(さんとえんき、英語えいご:acid and base)は、化学かがく反応はんのうにて物質ぶっしつがもつとされる性質せいしつである。化学かがく初期しょきでは、水素すいそイオン水酸化物すいさんかぶつイオンのはたらきにもとづいて、さん塩基えんき定義ていぎされた(アレニウスの定義ていぎ)。化学かがく発展はってんによってその定義ていぎ拡張かくちょうされ、今日きょうでは、電子でんしたい授受じゅじゅもとづいてさん塩基えんき定義ていぎされる(ルイスの定義ていぎ)。

概要がいよう[編集へんしゅう]

さん塩基えんき定義ていぎは、化学かがく進展しんてんによりなん拡張かくちょうされているが、義務ぎむ教育きょういくなら初歩しょほてき定義ていぎ水溶液すいようえきかんする。最初さいしょに、水溶液すいようえきさん塩基えんき解説かいせつする。

リトマス試験紙りとますしけんし

みず溶質ようしつ物質ぶっしつ)をかし、その水溶液すいようえきリトマス試験紙りとますしけんしにつけると、かした溶質ようしつによってリトマス試験紙りとますしけんしいろあかになるものとあおになるものがあることられている。前者ぜんしゃのものを酸性さんせい水溶液すいようえき後者こうしゃのものを塩基えんきせい塩基えんきなかでもとくみずやすいものはアルカリ性あるかりせいばれる)の水溶液すいようえきといい、酸性さんせい塩基えんきせい水溶液すいようえきつくした溶質ようしつをそれぞれさん塩基えんきという。酸性さんせいでも塩基えんきせいでもない、両者りょうしゃ中間ちゅうかん相当そうとうする水溶液すいようえき中性ちゅうせいという。

リトマス以外いがい化学かがく物質ぶっしつたいしても、水溶液すいようえき酸性さんせいであるか塩基えんきせいであるかにおうじて、その化学かがく物質ぶっしつ水溶液すいようえきれたときこる化学かがく反応はんのうおおきくことなることられており、たとえば酸性さんせい水溶液すいようえきてつかして水素すいそしょうじるが、塩基えんきせい水溶液すいようえきではそのような反応はんのうこらない。したがって溶質ようしつさんであるか塩基えんきであるかをることは実用じつようじょう非常ひじょう重要じゅうようである。

さんれいとしては塩酸えんさん硫酸りゅうさん硝酸しょうさん酢酸さくさんなどがげられ、塩基えんきれいとしては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アンモニアなどがげられる。

さん塩基えんき反応はんのう[編集へんしゅう]

酸性さんせい塩基えんきせいぎゃく性質せいしつであり、酸性さんせい水溶液すいようえき塩基えんきせい水溶液すいようえきぜると、さん塩基えんき反応はんのうという化学かがく反応はんのうしょうじて、より中間ちゅうかんてき状態じょうたいへとちかづき、同時どうじなんらかの物質ぶっしつしお:えん)ができる。とくに、酸性さんせい水溶液すいようえき塩基えんきせい水溶液すいようえき適切てきせつりょうだけぜると、たがいの性質せいしつしあうようになる。この変化へんか中和ちゅうわぶ。

水溶液すいようえきがどの程度ていど酸性さんせいないし塩基えんきせいであるかは、水素すいそイオン指数しすう (pH) という尺度しゃくどはかことができる。室温しつおんではpHが7のとき中性ちゅうせい、7よりちいさいとき酸性さんせい、7よりもおおきいとき塩基えんきせいである。なお、厳密げんみつ定義ていぎはぶくが、酸性さんせい度合どあいが非常ひじょうつよ場合ばあい強酸きょうさん酸性さんせい度合どあいがすくない水溶液すいようえき弱酸じゃくさんという。つよ塩基えんきじゃく塩基えんき同様どうよう定義ていぎする。

なお、さん塩基えんきつよさをはか指標しひょうはpH以外いがいにも、規定きていさん解離かいり定数ていすう (pKa) ・酸度さんど関数かんすう (H0) などがある。また、さん塩基えんきには、「かたい」「やわらかい」という表現ひょうげんをされる定性的ていせいてき性質せいしつがある。くわしくはHSABそく参照さんしょう

ラボアジエのせつ[編集へんしゅう]

さん」という名称めいしょうは、さんにはかなら酸素さんそふくまれるのではないかというラヴォアジエせつによるMF1(p144)。しかしのちデービーが、塩酸えんさんという水素すいそ塩素えんそしかふくんでいない物質ぶっしつさんになることしめしたため、このせつ修正しゅうせい必要ひつようになったMF1(p144)。そしてデービーの成果せいかは、酸素さんそよりむしろ水素すいそさん定義ていぎ重要じゅうようであること示唆しさしていたMF1(p144)

アレニウスの定義ていぎ[編集へんしゅう]

前節ぜんせつ説明せつめいした、デービーによる成果せいかまえ、アレニウスは、さん塩基えんき以下いかのように定義ていぎしたMF1(p144)

アレニウスの定義ていぎは、水分すいぶん水素すいそイオン水酸化物すいさんかぶつイオンとに分解ぶんかいできることかんがえると理解りかいしやすい。この事実じじつかんがみると、なんら物質ぶっしつかしていないじゅんみず場合ばあい、そこにふくまれるとはおなりょうである。それにたいし、酸性さんせい水溶液すいようえきでは、さんしょうじるのでほうよりもおおく、ぎゃく塩基えんきせい水溶液すいようえきでは塩基えんきしょうじるので、ほうよりもおおい。

酸性さんせい水溶液すいようえき塩基えんきせい水溶液すいようえきわせたときこる中和ちゅうわは、酸性さんせい水溶液すいようえきにある塩基えんきせい水溶液すいようえきにある反応はんのうして水分すいぶんわる過程かていであると解釈かいしゃくできる。

欠点けってん[編集へんしゅう]

しかしアレニウスの定義ていぎ以下いかのような欠点けってんつことがられている:

  • みず以外いがい溶液ようえきたいしては酸性さんせい塩基えんきせい定義ていぎできないMF2(p320)
  • ふくんでいないアンモニア水溶液すいようえき塩基えんきせいになること説明せつめいできないMF2(p320)

ブレンステッド・ローリーの定義ていぎ[編集へんしゅう]

アレニウスの定義ていぎにおける欠点けってんおぎなうため、ブレンステッドローリーは、アレニウスの定義ていぎにおいて中心ちゅうしんてき役割やくわりたしている、すなわちプロトン(陽子ようし)をベースとして、さん塩基えんき概念がいねん以下いかのようにさい定義ていぎした:

よってブレンステッド・ローリーの定義ていぎにおけるさん塩基えんきをそれぞれプロトン供与きょうよたいプロトン受容じゅようたいともいうMF2(p320)。なおブレンステッド・ローリーの定義ていぎでは通常つうじょう分子ぶんしである場合ばあいはもちろん、イオン化いおんかした分子ぶんしたいしてもさん塩基えんき定義ていぎできる。

アレニウスの定義ていぎとの関係かんけい[編集へんしゅう]

アレニウスによるさん定義ていぎは、ブレンステッド・ローリーによるさん定義ていぎにおける「物質ぶっしつ」が水分すいぶんであり、しかも水分すいぶんわた原因げんいん解離かいりである場合ばあい相当そうとうするので、ブレンステッド・ローリーによるさん定義ていぎはアレニウスによるさん定義ていぎ含意がんいする。

一方いっぽうブレンステッド・ローリーによる塩基えんき定義ていぎはアレニウスによる塩基えんき定義ていぎかけじょう大幅おおはばことなるが、アレニウスによる塩基えんきなか存在そんざいするが「物質ぶっしつ」であるはんおう相手あいてさんからうばって水分すいぶん生成せいせいするとかんがえれば、ブレンステッド・ローリーによる塩基えんき定義ていぎがアレニウスによる塩基えんき定義ていぎ含意がんいすることかる。

欠点けってん解消かいしょう[編集へんしゅう]

アレニウスの定義ていぎちがい、定義ていぎ範囲はんい水溶液すいようえき限定げんていしていないので、アレニウスの定義ていぎにあった「水溶液すいようえきにしか定義ていぎできない」という欠点けってん解消かいしょうされている。

また、ブレンステッド・ローリーの定義ていぎは、アレニウスの定義ていぎちがい、アンモニアがみずたいして塩基えんきになること説明せつめいできる。実際じっさい、アンモニアが水分すいぶん反応はんのうして加水かすい分解ぶんかいする過程かてい

において、アンモニアは水分すいぶんからうばっているので、ブレンステッド・ローリーの定義ていぎにおける塩基えんきであるMF2(p321)

定義ていぎ相対そうたいせい[編集へんしゅう]

アレニウスの定義ていぎちがい、ブレンステッド・ローリーによるさん塩基えんき定義ていぎは、反応はんのう相手あいてとなる「物質ぶっしつ」の存在そんざいがあってはじめて意味いみつものである。したがってある物質ぶっしつAが「物質ぶっしつ」Xにたいしてはさんであるにもかかわらず、Xとはことなる「物質ぶっしつ」Yにたいしては塩基えんきであるということこりうる。たとえばみず塩酸えんさんたいして塩基えんきであるがMF2(p321)、アンモニアにたいしてはさんとしてはたらMF2(p321)

共役きょうやく塩基えんき共役きょうやくさん[編集へんしゅう]

さん(acid)を HA、塩基えんき(base)を B とすると、ブレンステッド・ローリーによるさん塩基えんき反応はんのう一般いっぱんつぎ化学かがく反応はんのうしきあらわされるMF2(p321)

このしきは、左辺さへんから右辺うへんへの反応はんのうと、右辺うへんから左辺さへんへの反応はんのうがともにこる反応はんのう可逆かぎゃく反応はんのう)であることを意味いみする(この化学かがく平衡へいこう平衡へいこう定数ていすうからさん解離かいり定数ていすう定義ていぎする)。

そこでぎゃくに、右辺うへんから左辺さへんへの反応はんのう過程かていてみると、(ブレンステッド・ローリーの定義ていぎにおける)塩基えんき反応はんのうして、HAとBとを生成せいせいしていると解釈かいしゃくできる。

こうした理由りゆうにより、さん HAの共役きょうやく塩基えんき(conjugate base)とび、塩基えんきBの共役きょうやくさんというMF2(p321)

ルイスの定義ていぎ[編集へんしゅう]

ルイスによる以下いか電子でんしたい授受じゅじゅによるさん塩基えんき定義ていぎは、ブレンステッド・ローリーの定義ていぎよりさら広範こうはん範囲はんいをカバーする:

  • さん電子でんしたい受容じゅようたいMF2(p346)
  • 塩基えんき電子でんしたい供与きょうよたいMF2(p346)

ブレンステッド・ローリーの塩基えんきBは、プロトンさい、Bないにある電子でんしたい供与きょうよすることにより、つくるので、ブレンステッド・ローリーの塩基えんきはルイスの塩基えんきでもあるMF2(p346)同様どうよう理由りゆうにより、ブレンステッド・ローリーのさんはルイスのさんでもあるMF2(p346)

しかしルイスの定義ていぎは、プロトン授受じゅじゅともなわない反応はんのうたいしてもさん塩基えんき定義ていぎできること利点りてんがある。たとえば反応はんのう

ではプロトン授受じゅじゅおこなわれないが、電子でんしたい供与きょうよ受容じゅようするため、ルイスの定義ていぎにおけるさん塩基えんきであるMF2(p346)

参考さんこう[編集へんしゅう]

ウサノビッチの定義ていぎ[編集へんしゅう]

1939ねんソビエト連邦れんぽうのウサノビッチ (М. Усанович) が提出ていしゅつした定義ていぎでは、さん水素すいそイオンおよびそのイオンを放出ほうしゅつするもの、あるいはかげイオンおよび電子でんし結合けつごうする能力のうりょくのあるものはすべてふくまれる田中たなか71[ようページ番号ばんごう]

この定義ていぎではかげイオンおよび電子でんし(および電子でんし放出ほうしゅつするもの)まで塩基えんきとなり、電子でんし授受じゅじゅといった酸化さんか還元かんげん反応はんのうまでをさん塩基えんき反応はんのう解釈かいしゃくし、究極きゅうきょくにはすべての化学かがく反応はんのう包括ほうかつすることになり拡張かくちょう解釈かいしゃくぎるため、今日きょうではこの定義ていぎもちいられることはほとんどない。

強度きょうど[編集へんしゅう]

ある溶液ようえき酸性さんせい塩基えんきせい)の強弱きょうじゃくは、それにけているさん塩基えんき固有こゆうの「強度きょうど」と、溶液ようえきちゅうのその物質ぶっしつの「濃度のうど」に依存いぞんする。たとえば、硫酸りゅうさん物質ぶっしつとしてはつよさんであるが、もし濃度のうどひくければ、溶液ようえき全体ぜんたい酸性さんせいよわい。

それぞれの物質ぶっしつ固有こゆうの(濃度のうど依存いぞんしない)強度きょうど指標しひょうとしては、さん解離かいり定数ていすう (pKa) がある。また、濃度のうど加味かみした溶液ようえきとしての性質せいしつ指標しひょうとして水素すいそイオン指数しすう(pH) 、酸度さんど関数かんすう (H0) および規定きていがある。これらは場合ばあいによって使つかけがされる。酸性さんせいをあらわすために希薄きはく水溶液すいようえきちゅうでは pH をもちいるのが一般いっぱんてきであるが、濃厚のうこう溶液ようえきおよび水溶すいようなかだちちゅうにおいては酸度さんど関数かんすうもちいる。 また有機ゆうき溶媒ようばいちゅうでの反応はんのう議論ぎろんすることのおお有機ゆうき化学かがくでは、反応はんのうぶつ水素すいそイオンの解離かいり程度ていどpKa によって議論ぎろんすることがおおい。

物質ぶっしつ固有こゆう強度きょうど[編集へんしゅう]

水中すいちゅう電離でんりする化合かごうぶつ酸性さんせい塩基えんきせい)の強弱きょうじゃくは、その物質ぶっしつ電離でんりによっておおまかに分類ぶんるいされる。電離でんり電解でんかいしつ溶液ようえきちゅう解離かいり電離でんり)しているモルをあらわすで、電離でんりがほぼ 1 であるさん塩基えんき)を強酸きょうさんつよ塩基えんき)、電離でんりちいさいものを弱酸じゃくさんじゃく塩基えんき)とぶ。また、じゅん硫酸りゅうさんよりもつよ酸性さんせい媒体ばいたいちょうさんということがある。

より定量ていりょうてきさん塩基えんき)のつよさをしめ場合ばあいは、解離かいり平衡へいこうかんがえ、その平衡へいこう定数ていすう Ka対数たいすう負号ふごうをつけたさん解離かいり定数ていすう pKaあらわすことがおおい。塩基えんきたいしては、共役きょうやくさんpKa か、とく水中すいちゅう場合ばあいでは塩基えんき解離かいり定数ていすう pKb = 14 − pKaもちいられる。

たとえば、酢酸さくさんpKa は 4.76 、ギ酸ぎさんpKa は 3.77 である[1]pKa定義ていぎから数値すうちちいさいほど水素すいそイオンを解離かいりしやすい、すなわちつよさんであることをしめす。したがって、おな弱酸じゃくさんでもギ酸ぎさんのほうが酢酸さくさんより 10 ばいつよいことがかる。

また、この表記ひょうきほうもちいると、有機物ゆうきぶつなど通常つうじょう電離でんりするとはかんがえない化合かごうぶつたいしてもさん塩基えんき強度きょうどすなわちプロトン解離かいり指標しひょうとしてもちいることができる。たとえば、水中すいちゅうでのメタンpKa は 48、ベンゼンは 43 であり、ベンゼンの水素すいそほうがはるかに酸性さんせいつよい(すなわち、プロトンとしてかれやすい)ことがかる。[2]

塩基えんきつよさは共役きょうやくさんpKa から判断はんだんすることができる。たとえば、プロトンされたアンモニア(アンモニウム)のpKa は 9.2、トリエチルアミンは 10.75 である。すなわち、トリエチルアミンにはいしたプロトンはアンモニアの場合ばあいくらべて 1 けたほど解離かいりしにくい。このことは、トリエチルアミンがアンモニアにくらべて 10 ばいつよ塩基えんきであることをしめしている。

さん解離かいり定数ていすう指標しひょうとしてもちいることで、クライゼンちぢみあいなど、水素すいそきが関与かんよする反応はんのう必要ひつよう塩基えんき推量すいりょうすることができる。

濃度のうどふくめた強度きょうど[編集へんしゅう]

ある物質ぶっしつ溶液ようえきさん塩基えんき議論ぎろんするさいには、その物質ぶっしつ濃度のうど重要じゅうよう要素ようそとなる。濃度のうどふくめたさん塩基えんき指標しひょうとしては、規定きてい水素すいそイオン濃度のうどがある。

規定きていさん塩基えんきあたいすうモル濃度のうどせきあらわされるで、単位たんい Nしめされる。ただし、IUPAC [3]ならびに日本にっぽん計量けいりょうほう[注釈ちゅうしゃく 1]ひとしでは使用しよう推奨すいしょうされていない。

水素すいそイオン濃度のうどは、通常つうじょう水溶液すいようえきちゅうにおいて、水素すいそイオンの濃度のうど対数たいすうしめしたものである。水素すいそイオン濃度のうど現実げんじつてきさん塩基えんき強度きょうどにあった指標しひょうであるが、単純たんじゅんさん塩基えんき濃度のうど比例ひれいするものではないため、りたい場合ばあいにはさん塩基えんき指示しじやくなどによって調しらべる必要ひつようがある。また、水溶液すいようえき以外いがい適用てきようする場合ばあいには、自己じこ解離かいり水平すいへい効果こうかかんがえる必要ひつようがある。

代表だいひょうてきさん塩基えんき[編集へんしゅう]

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

注釈ちゅうしゃく[編集へんしゅう]

  1. ^ 平成へいせい9ねん9がつ30にちまでは法定ほうてい計量けいりょう単位たんいとみなされていた[4]

出典しゅってん[編集へんしゅう]

文献ぶんけん[編集へんしゅう]

引用いんよう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

  • [田中たなか71] 田中たなか元治もとはるさん塩基えんきはなぼう基礎きそ化学かがく選書せんしょ8〉、1971ねん、6-7ぺーじ 
  • [F67]H・Freiser、Q・Fernando 藤永ふじなが太一郎たいちろう関戸せきと栄一えいいちやく (1967/8). イオン平衡へいこう分析ぶんせき化学かがくにおける. 化学かがく同人どうじん 
  • [MF1] J. McMurry、R. C. Fay ちょ荻野おぎのひろし山本やまもとまなぶ大野おおの公一こういち やく「7しょう水溶液すいようえきない反応はんのう」」『マクマリー 一般いっぱん化学かがくうえ)』東京とうきょう化学かがく同人どうじん、2010ねん11月24にちISBN 9784807907427 
  • [MF2] J. McMurry、R. C. Fay ちょ荻野おぎのひろし山本やまもとまなぶ大野おおの公一こういち やく「13しょう水溶液すいようえきない平衡へいこう さん塩基えんき」」『マクマリー 一般いっぱん化学かがくした)』東京とうきょう化学かがく同人どうじん、2011ねん2がつ23にちISBN 9784807907434 

その[編集へんしゅう]

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]