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第 6 章 で は、 中学 で 「酸・アルカリ・中和」 と して 学んだ 内容 を、 高校 で は 数値 (pH) と 電離 の 強さ (電離度) で 整理 し直し ます。
ポイント: 中学 で は 「青色 リトマス が 赤 に な る もの = 酸」 でした が、 高校 で は 「水 に 溶けて H⁺ を 出す もの」 「H⁺ を 受け取る もの」 と 定義 し直し ます。 さら に、 どれくら い 強い か を 数値 (pH や 電離度) で 表します。
スウェーデン の アレニウス は、 19 世紀末 に 次 の よう に 定義 しました。
たとえば 塩酸 と 水酸化 ナトリウム は 次 の よう に 電離 します。
| 区分 | 例 | 電離 して 生じる イオン |
|---|---|---|
| 酸 | HCl, H₂SO₄, HNO₃, CH₃COOH | H⁺ |
| 塩基 | NaOH, KOH, Ca(OH)₂, NH₃ (水溶液) | OH⁻ |
アレニウス の 定義 で は 水 が 必須 でした が、 デンマーク の ブレンステッド と イギリス の ローリー は、 水 が なく て も 使え る 広い 定義 を 提案 しました。
たとえば アンモニア NH₃ が 水 に 溶ける と き、 NH₃ は H⁺ を 受け取る ので 塩基、 H₂O は H⁺ を 与える ので 酸 と し て はたらき ます。
NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻
ポイント: ブレンステッド・ローリー の 定義 で は、 同 じ 物質 が 相手 に よって 酸 に も 塩基 に も な れ る のが 特徴 です。 H₂O は 上 で は 酸 ですが、 HCl と 反応 する と き は H⁺ を 受け取る 塩基 と な り ます。
H⁺ を やり取り した 結果、 酸 から H⁺ が 抜け た もの を 共役塩基、 塩基 が H⁺ を 受け取っ た もの を 共役酸 と よび ます。
| 反応 | 酸 | 共役塩基 | 塩基 | 共役酸 |
|---|---|---|---|---|
| HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻ | HCl | Cl⁻ | H₂O | H₃O⁺ |
| CH₃COOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CH₃COO⁻ | CH₃COOH | CH₃COO⁻ | H₂O | H₃O⁺ |
| NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ | H₂O | OH⁻ | NH₃ | NH₄⁺ |
1 個 の 分子 (または 1 個 の 式量) が 出せる H⁺ や OH⁻ の 数 を 価数 と いいます。
| 価数 | 酸 の 例 | 塩基 の 例 |
|---|---|---|
| 1 価 | HCl, HNO₃, CH₃COOH | NaOH, KOH, NH₃ |
| 2 価 | H₂SO₄, H₂CO₃, H₂S | Ca(OH)₂, Ba(OH)₂, Mg(OH)₂ |
| 3 価 | H₃PO₄ | Al(OH)₃, Fe(OH)₃ |
電離度 α と は、 「水 に 溶け た 酸 (塩基) の うち、 何割 が 電離 した か」 を 表す 値 (0 < α ≤ 1) です。
α = (電離 し た 分子数) / (溶け た 分子数)
| 区分 | 電離度 α | 例 | |---|---|---| | 強酸 | ほぼ 1 (ほぼ 完全 に 電離) | HCl, HNO₃, H₂SO₄ | | 弱酸 | 1 より か な り 小さい (一部 だけ 電離) | CH₃COOH, H₂CO₃, H₂S | | 強塩基 | ほぼ 1 | NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂ | | 弱塩基 | 1 より か な り 小さい | NH₃, Mg(OH)₂, Cu(OH)₂ |
覚え方: 入試 で は 「H と Cl」 「H と NO₃」 「H₂ と SO₄」 = 強酸、 「Na, K, Ca, Ba の 水酸化物」 = 強塩基、 と 覚えれば ほぼ OK。 残り は 弱 と 考えて よい。
「2 価 だ から 強い」 と は 限り ません。 H₂SO₄ は 2 価 の 強酸 ですが、 H₂CO₃ は 2 価 の 弱酸 です。 同様 に Ca(OH)₂ は 2 価 の 強塩基、 Cu(OH)₂ は 2 価 の 弱塩基 です。
純粋 な 水 で も ご く わず か に 電離 し て、 H⁺ と OH⁻ を 生じます。
H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻
25 °C で は、 [H⁺] = [OH⁻] = 1.0 × 10⁻⁷ mol/L です。 し たがって、
[H⁺] × [OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ (mol/L)²
これ を 水 の イオン積 Kw と いい、 25 °C で は 一定 の 値 を と り ます。
水素イオン濃度 [H⁺] は と て も 小さい 値 な ので、 対数 を と って 扱い ます。 これ が pH (水素イオン指数) です。
pH = -log₁₀[H⁺]
| 液 | [H⁺] (mol/L) | pH |
|---|---|---|
| 0.1 mol/L 塩酸 | 1.0 × 10⁻¹ | 1 |
| 食酢 (うすい) | 約 1 × 10⁻³ | 約 3 |
| 純水 | 1.0 × 10⁻⁷ | 7 |
| 海水 | 約 1 × 10⁻⁸ | 約 8 |
| 0.1 mol/L NaOH | 1.0 × 10⁻¹³ | 13 |
| pH の 範囲 | 液性 |
|---|---|
| pH < 7 | [酸性 |
| pH = 7 | [中性 |
| pH > 7 | 塩基性 (アルカリ性) |
ポイント: pH が 1 ちがう と [H⁺] は 10 倍 ちがう。 たとえば pH 3 の 液 は pH 5 の 液 より H⁺ が 100 倍多い こと に なる。
酸 と 塩基 が 反応 し て 互い の 性質 を 打ち消し 合う 反応 を 中和反応 と いい ます。 一般 に 次 の よう に 書け ます。
酸 + 塩基 → 塩 + 水
| 例 | 化学反応式 |
|---|---|
| 塩酸 + 水酸化 ナトリウム | HCl + NaOH → NaCl + H₂O |
| 硫酸 + 水酸化 ナトリウム | H₂SO₄ + 2 NaOH → Na₂SO₄ + 2 H₂O |
| 酢酸 + アンモニア | CH₃COOH + NH₃ → CH₃COONH₄ |
イオン の 立場 で 見れば、 中和 の 本質 は H⁺ + OH⁻ → H₂O です。
中和 で でき る 塩 は、 もと の 酸・塩基 の 強弱 で 水溶液 の 液性 が ちがい ます。
| 塩 の 例 | もと の 酸 | もと の 塩基 | 水溶液 の 液性 |
|---|---|---|---|
| NaCl | 強酸 (HCl) | 強塩基 (NaOH) | 中性 |
| CH₃COONa | 弱酸 (CH₃COOH) | 強塩基 (NaOH) | 弱塩基性 |
| NH₄Cl | 強酸 (HCl) | 弱塩基 (NH₃) | 弱酸性 |
| CH₃COONH₄ | 弱酸 | 弱塩基 | ほぼ 中性 |
ポイント: 「強い 方 が 勝つ」 と 覚える。 強酸 + 弱塩基 → 酸性寄り。 弱酸 + 強塩基 → 塩基性寄り。 これ を 塩 の 加水分解 と いう。
中和 が 完全 に 起こる の は、 酸 が 出す H⁺ の mol = 塩基 が 出す OH⁻ の mol の とき です。
a 価 の 酸 (濃度 c₁ mol/L、 体積 V₁ mL) と b 価 の 塩基 (濃度 c₂ mol/L、 体積 V₂ mL) が 過不足 なく 反応 する 条件 は、
a × c₁ × V₁ = b × c₂ × V₂
覚え方: 「価数 × 濃度 × 体積」 が 酸 と 塩基 で 等 し く なる、 と 覚える。 強弱 に は 関係 し ない (電離度 が 小さく て も、 中和 が 進む に つれ て 残り も 電離 する ため)。
濃度 が 分かっ て いる 酸 (または 塩基) を 使っ て、 濃度 が 分から ない 塩基 (または 酸) の 濃度 を 求める 実験 を 中和滴定 と いい ます。
| 器具 | 役割 |
|---|---|
| ホールピペット | 一定体積 (例 10.00 mL) を はかり とる |
| コニカルビーカー | はかり とった 液 を 入れ、 指示薬 を 加える |
| ビュレット | 滴下 する 液 の 体積 を 0.05 mL ま で 読む |
| メスフラスコ | 標準液 を 一定体積 で つくる |
滴定中 の pH 変化 を グラフ に した もの を 滴定曲線 と いい ます。 中和点付近 で pH は 急 に 変化 (pH の 跳躍) し ます。
| 滴定 の 種類 | 中和点 の 液性 | 適切 な 指示薬 |
|---|---|---|
| 強酸 と 強塩基 | 中性 (pH 7) | フェノール フタレイン / メチル オレンジ どちら も 可 |
| 弱酸 と 強塩基 | 弱塩基性 (pH 8〜9) | フェノールフタレイン (変色域 pH 8.3〜10) |
| 強酸 と 弱塩基 | 弱酸性 (pH 5〜6) | メチルオレンジ (変色域 pH 3.1〜4.4) |
| 弱酸 と 弱塩基 | (中和点 が 不明瞭) | 滴定 に 不向き |
ポイント: 「弱 と 強 の 組合せ で は、 強い 方 の 側 に ある 指示薬 を 使う」 と 覚える。 弱酸 + 強塩基 → 中和点 は 塩基性側 → フェノール フタレイン (塩基性 で 赤)。
0.10 mol/L の 食酢 (CH₃COOH) を 10.00 mL とり、 濃度不明 の NaOH 水溶液 で 滴定 し た ら、 12.50 mL で 中和 した。 NaOH 水溶液 の 濃度 c は?
解: 1 × 0.10 × 10.00 = 1 × c × 12.50 → c = 0.080 mol/L
次 の 章: 第 7 章 で は 酸化還元 と 電池 を 学 び ます。 酸化数 の 計算、 半反応式 の 組 み 立 て、 ボルタ電池 / ダニエル電池 / 鉛蓄電池 / 燃料電池 の しくみ を 順 に 見 て いき ます。