酸さん塩基えんきと pH

この章しょうで学まなぶこと

第だい 6 章しょうでは、 中学ちゅうがくで 「酸さん・アルカリあるかり・中和ちゅうわ」 として学まなんだ内容ないようを、 高校こうこうでは 数値すうち (pH) と 電離でんりの強つよさ (電離度でんりど) で整理せいりし直なおします。

• 酸さんと塩基えんきの 2 つの定義ていぎ (アレニウス / ブレンステッド・ローリー) を区別くべつできる
• 強酸きょうさん と 弱酸じゃくさん、 強塩基きょうえんき と 弱塩基じゃくえんき を例れいであげられる
• pH を水素すいそイオン濃度のうど[H⁺]から計算けいさんできる
• 中和反応ちゅうわはんのう を化学かがく反応はんのう式しきで書かける
• 中和滴定ちゅうわてきてい で濃度のうどを求もとめられる
• 滴定てきてい曲線きょくせんと指示薬しじやく (フェノールフタレイン・メチルオレンジ) を結むすびつけられる

ポイント: 中学ちゅうがくでは 「青色あおいろリトマスが赤あかになるもの = 酸さん」 でしたが、 高校こうこうでは 「水すいに溶とけて H⁺ を出だすもの」 「H⁺ を受うけ取とるもの」 と定義ていぎし直なおします。 さらに、 どれくらい強つよいか を数値すうち (pH や電離でんり度ど) で表あらわします。

1. 酸さんと塩基えんきの定義ていぎ

アレニウスの定義ていぎ

スウェーデンのアレニウスは、 19 世紀せいき末まつに次つぎのように定義ていぎしました。

• 酸さん: 水みずに溶とけて 水素イオンすいそいおん H⁺ を生しょうじる物質ぶっしつ
• 塩基えんき: 水みずに溶とけて 水酸化物イオンすいさんかぶついおん OH⁻ を生しょうじる物質ぶっしつ

たとえば塩酸えんさんと水酸化すいさんかナトリウムは次つぎのように電離でんりします。

• HCl → H⁺ + Cl⁻
• NaOH → Na⁺ + OH⁻

区分くぶん	例れい	電離でんりして生しょうじるイオン
酸さん	HCl, H₂SO₄, HNO₃, CH₃COOH	H⁺
塩基えんき	NaOH, KOH, Ca(OH)₂, NH₃ (水溶液すいようえき)	OH⁻

ブレンステッド・ローリーの定義ていぎ

アレニウスの定義ていぎでは 水すいが必須ひっす 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、 水みずがなくても使つかえる広ひろい定義ていぎを提案ていあんしました。

• 酸さん: 相手あいてに H⁺ を与あたえる 物質ぶっしつ (プロトン供与体プロトンきょうよたい)
• 塩基えんき: 相手あいてから H⁺ を受うけ取とる 物質ぶっしつ (プロトン受容体プロトンじゅようたい)

たとえばアンモニア NH₃ が水みずに溶とけるとき、 NH₃ は H⁺ を受うけ取とるので塩基えんき、 H₂O は H⁺ を与あたえるので酸さんとしてはたらきます。

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻

ポイント: ブレンステッド・ローリーの定義ていぎでは、 同おなじ物質ぶっしつが相手あいてによって酸さんにも塩基えんきにもなれる のが特徴とくちょうです。 H₂O は上うえでは酸さんですが、 HCl と反応はんのうするときは H⁺ を受うけ取とる塩基えんきとなります。

共役きょうやく酸さん塩基えんき対たい

H⁺ をやり取とりした結果けっか、 酸すから H⁺ が抜ぬけたものを 共役塩基きょうやくえんき、 塩基えんきが H⁺ を受うけ取とったものを 共役酸きょうやくさん とよびます。

反応はんのう	酸さん	共役きょうやく塩基えんき	塩基えんき	共役きょうやく酸さん
HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻	HCl	Cl⁻	H₂O	H₃O⁺
CH₃COOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CH₃COO⁻	CH₃COOH	CH₃COO⁻	H₂O	H₃O⁺
NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻	H₂O	OH⁻	NH₃	NH₄⁺

2. 酸さん塩基えんきの価あたい数すうと強弱きょうじゃく

価あたい数すう

1 個この分子ぶんし (または 1 個この式しき量りょう) が出だせる H⁺ や OH⁻ の数かずを 価数かすう といいます。

価あたい数すう	酸さんの例れい	塩基えんきの例れい
1 価あたい	HCl, HNO₃, CH₃COOH	NaOH, KOH, NH₃
2 価あたい	H₂SO₄, H₂CO₃, H₂S	Ca(OH)₂, Ba(OH)₂, Mg(OH)₂
3 価あたい	H₃PO₄	Al(OH)₃, Fe(OH)₃

電離でんり度どと強弱きょうじゃく

電離度でんりど α とは、 「水みずに溶とけた酸さん (塩基えんき) のうち、 何なん割わりが電離でんりしたか」 を表あらわす値あたい (0 < α ≤ 1) です。

α = (電離でんりした分子ぶんし数すう) / (溶とけた分子ぶんし数すう)

区分くぶん	電離でんり度ど α	例れい
強酸きょうさん	ほぼ 1 (ほぼ完全かんぜんに電離でんり)	HCl, HNO₃, H₂SO₄
弱酸じゃくさん	1 よりかなり小ちいさい (一部いちぶだけ電離でんり)	CH₃COOH, H₂CO₃, H₂S
強塩基きょうえんき	ほぼ 1	NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂
弱塩基じゃくえんき	1 よりかなり小ちいさい	NH₃, Mg(OH)₂, Cu(OH)₂

覚おぼえ方かた: 入試にゅうしでは 「H と Cl」 「H と NO₃」 「H₂ と SO₄」 = 強酸きょうさん、 「Na, K, Ca, Ba の水酸化物すいさんかぶつ」 = 強塩基きょうえんき、 と覚おぼえればほぼ OK。 残のこりは弱じゃくと考えかんがえてよい。

強弱きょうじゃくと価あたい数すうは別べつ

「2 価あたいだから強つよい」 とは限かぎりません。 H₂SO₄ は 2 価あたいの強酸きょうさんですが、 H₂CO₃ は 2 価あたいの弱酸じゃくさんです。 同様どうように Ca(OH)₂ は 2 価あたいの強塩基きょうえんき、 Cu(OH)₂ は 2 価あたいの弱じゃく塩基えんきです。

3. 水みずの電離でんりと pH

水みずの電離でんり

純粋じゅんすいな水みずでもごくわずかに電離でんりして、 H⁺ と OH⁻ を生しょうじます。

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 水のイオン積みずのイオンせき Kw といい、 25 °C では一定いっていの値あたいをとります。

pH の定義ていぎ

水素すいそイオン濃度のうど[H⁺]はとても小ちいさい値あたいなので、 対数たいすうをとって扱あつかいます。 これが pH (水素イオン指数すいそイオンしすう) です。

pH = -log₁₀[H⁺]

液えき	[H⁺] (mol/L)	pH
0.1 mol/L 塩酸えんさん	1.0 × 10⁻¹	1
食酢しょくず (うすい)	約やく 1 × 10⁻³	約やく 3
純じゅん水みず	1.0 × 10⁻⁷	7
海水かいすい	約やく 1 × 10⁻⁸	約やく 8
0.1 mol/L NaOH	1.0 × 10⁻¹³	13

pH の範囲はんい	液えき性せい
pH < 7	酸性さんせい
pH = 7	中性ちゅうせい
pH > 7	塩基えんき性せい (アルカリ性あるかりせい)

ポイント: pH が 1 ちがうと[H⁺]は 10 倍ばいちがう。 たとえば pH 3 の液えきは pH 5 の液えきより H⁺ が 100 倍ばい多おおいことになる。

pH の計算けいさん例れい

• 0.01 mol/L の HCl (強酸きょうさん) の pH は? → [H⁺] = 0.01 = 10⁻² → pH = 2
• 0.1 mol/L の CH₃COOH (弱酸じゃくさん、 α = 0.01) の pH は? → [H⁺] = 0.1 × 0.01 = 10⁻³ → pH = 3
• 0.01 mol/L の NaOH の pH は? → [OH⁻] = 10⁻² → [H⁺] = 10⁻¹⁴ / 10⁻² = 10⁻¹² → pH = 12

4. 中和ちゅうわ反応はんのうと塩しお

中和ちゅうわ反応はんのうの基本きほん

酸さんと塩基えんきが反応はんのうして互たがいの性質せいしつを打うち消けし合あう反応はんのうを 中和反応ちゅうわはんのう といいます。 一般いっぱんに次つぎのように書かけます。

酸さん + 塩基えんき → 塩えん + 水みず

例れい	化学かがく反応はんのう式しき
塩酸えんさん + 水酸化すいさんかナトリウム	HCl + NaOH → NaCl + H₂O
硫酸りゅうさん + 水酸化すいさんかナトリウム	H₂SO₄ + 2 NaOH → Na₂SO₄ + 2 H₂O
酢酸さくさん + アンモニア	CH₃COOH + NH₃ → CH₃COONH₄

イオンの立場たちばで見みれば、 中和ちゅうわの本質ほんしつは H⁺ + OH⁻ → H₂O です。

塩しおの分類ぶんるい

中和ちゅうわでできる塩しおは、 もとの酸さん・塩基えんきの強弱きょうじゃくで水溶液すいようえきの液えき性せいがちがいます。

塩しおの例れい	もとの酸さん	もとの塩基えんき	水溶液すいようえきの液えき性せい
NaCl	強酸きょうさん (HCl)	強塩基きょうえんき (NaOH)	中性ちゅうせい
CH₃COONa	弱酸じゃくさん (CH₃COOH)	強塩基きょうえんき (NaOH)	弱じゃく塩基えんき性せい
NH₄Cl	強酸きょうさん (HCl)	弱じゃく塩基えんき (NH₃)	弱酸じゃくさん性せい
CH₃COONH₄	弱酸じゃくさん	弱じゃく塩基えんき	ほぼ中性ちゅうせい

ポイント: 「強つよい方ほうが勝かつ」 と覚おぼえる。 強酸きょうさん + 弱じゃく塩基えんき → 酸性さんせい寄より。 弱酸じゃくさん + 強塩基きょうえんき → 塩基えんき性せい寄より。 これを 塩の加水分解えんのかすいぶんかい という。

5. 中和滴定ちゅうわてきてい

中和ちゅうわの量的りょうてき関係かんけい

中和ちゅうわが完全かんぜんに起おこるのは、 酸さんが出だす H⁺ の mol = 塩基えんきが出だす OH⁻ の mol のときです。

a 価あたいの酸さん (濃度のうど c₁ mol/L、 体積たいせき V₁ mL) と b 価あたいの塩基えんき (濃度のうど c₂ mol/L、 体積たいせき V₂ mL) が過不足かふそくなく反応はんのうする条件じょうけんは、

a × c₁ × V₁ = b × c₂ × V₂

覚おぼえ方かた: 「価か数すう × 濃度のうど × 体積たいせき」 が酸さんと塩基えんきで等ひとしくなる、 と覚おぼえる。 強弱きょうじゃくには関係かんけいしない (電離でんり度どが小ちいさくても、 中和ちゅうわが進すすむにつれて残のこりも電離でんりするため)。

中和滴定ちゅうわてきていの操作そうさ

濃度のうどが分わかっている酸さん (または塩基えんき) を使つかって、 濃度のうどが分わからない塩基えんき (または酸さん) の濃度のうどを求もとめる実験じっけんを 中和滴定ちゅうわてきてい といいます。

器具きぐ	役割やくわり
ホールピペット	一定いってい体積たいせき (例れい 10.00 mL) をはかりとる
コニカルビーカー	はかりとった液えきを入いれ、 指示薬しじやくを加くわえる
ビュレット	滴下てきかする液えきの体積たいせきを 0.05 mL まで読よむ
メスフラスコ	標準ひょうじゅん液えきを一定いってい体積たいせきでつくる

滴定てきてい曲線きょくせんと指示薬しじやく

滴定てきてい中ちゅうの pH 変化へんかをグラフにしたものを 滴定曲線てきていきょくせん といいます。 中和ちゅうわ点てん付近ふきんで pH は急きゅうに変化へんか (pH の跳躍ちょうやく) します。

滴定てきていの種類しゅるい	中和ちゅうわ点てんの液えき性せい	適切てきせつな指示薬しじやく
強酸きょうさんと強塩基きょうえんき	中性ちゅうせい (pH 7)	フェノールフタレイン / メチルオレンジどちらも可か
弱酸じゃくさんと強塩基きょうえんき	弱じゃく塩基えんき性せい (pH 8〜9)	フェノールフタレイン (変色へんしょく域いき pH 8.3〜10)
強酸きょうさんと弱じゃく塩基えんき	弱酸じゃくさん性せい (pH 5〜6)	メチルオレンジ (変色へんしょく域いき pH 3.1〜4.4)
弱酸じゃくさんと弱じゃく塩基えんき	(中和ちゅうわ点てんが不明瞭ふめいりょう)	滴定てきていに不向ふむき

ポイント: 「弱じゃくと強つよしの組合せくみあわせでは、 強つよい方ほうの側がわにある指示薬しじやく を使つかう」 と覚おぼえる。 弱酸じゃくさん + 強塩基きょうえんき → 中和ちゅうわ点てんは塩基えんき性せい側がわ → フェノールフタレイン (塩基えんき性せいで赤あか)。

計算けいさん例題れいだい

0.10 mol/L の食酢しょくず (CH₃COOH) を 10.00 mL とり、 濃度のうど不明ふめいの NaOH 水溶液すいようえきで滴定てきていしたら、 12.50 mL で中和ちゅうわした。 NaOH 水溶液すいようえきの濃度のうど c は?

解かい: 1 × 0.10 × 10.00 = 1 × c × 12.50 → c = 0.080 mol/L

6. 章しょうのまとめ

重要じゅうよう用語ようごまとめ

• アレニウス の定義ていぎ: 水中すいちゅうで H⁺ を出だす = 酸さん、 OH⁻ を出だす = 塩基えんき
• ブレンステッド・ローリー の定義ていぎ: H⁺ を与あたえる = 酸さん、 H⁺ を受うけ取とる = 塩基えんき
• 電離度でんりど α がほぼ 1 = 強酸きょうさん / 強塩基きょうえんき、 小ちいさい = 弱酸じゃくさん / 弱じゃく塩基えんき
• pH = -log₁₀[H⁺]、 pH < 7 酸性、 = 7 中性、 > 7 塩基えんき性せい
• 中和反応ちゅうわはんのう: H⁺ + OH⁻ → H₂O、 反応はんのうで 塩えん ができる
• 中和滴定ちゅうわてきてい の関係かんけい式しき: a c₁ V₁ = b c₂ V₂
• 指示薬しじやく: フェノールフタレイン / メチルオレンジを使つかい分わけ

確認かくにんリスト

• [ ]強酸きょうさん・弱酸じゃくさん・強塩基きょうえんき・弱じゃく塩基えんきを例れいであげられる
• [ ][H⁺]から pH を、 pH から[H⁺]を求もとめられる
• [ ]中和ちゅうわ反応はんのう式しきを書かき、 できる塩しおの液えき性せいを推定すいていできる
• [ ]中和滴定ちゅうわてきていの計算けいさん (a c₁ V₁ = b c₂ V₂) ができる
• [ ]滴定てきていの種類しゅるいに応おうじて指示薬しじやくを選えらべる

この章しょうの安全あんぜん配慮はいりょ

• 強酸きょうさん (塩酸えんさん・硫酸りゅうさん・硝酸しょうさん) と 強塩基きょうえんき (水酸化すいさんかナトリウム) は強つよい腐食ふしょく性せい。 必かならず 保護メガネほごめがね と 手袋てぶくろ を着用ちゃくようする
• 皮膚ひふや目めについたら 大量たいりょうの流水りゅうすいで 15 分ぶん以上いじょう洗あらう。 重症じゅうしょうのときは医療いりょう機関きかんへ
• 濃こ硫酸りゅうさんを水みずでうすめるときは 「酸さんを水みずへ少すこしずつ」 (逆ぎゃくだと突沸にえして飛とび散ちる)
• 中和滴定ちゅうわてきていの廃液はいえきはほぼ中性ちゅうせいだが、 不安ふあんがあれば大量たいりょうの水みずでうすめてから流ながす
• 弱じゃく塩基えんき NH₃ (アンモニア) の蒸気じょうきは吸すうと気道きどうを刺激しげきする。 ドラフトどらふと内で扱あつかう

次じの章しょう: 第だい 7 章しょうでは 酸化還元さんかかんげん と 電池でんち を学まなびます。 酸化数さんかすうの計算けいさん、 半反応式はんはんのうしきの組くみ立たて、 ボルタ電池ボルタでんち / ダニエル電池ダニエルでんち / 鉛蓄電池なまりちくでんち / 燃料電池ねんりょうでんちのしくみを順じゅんに見みていきます。

まとめ — 酸さん塩基えんきとpHを 3 行くだりで

• アレニウスの定義ていぎでは酸さんは水中すいちゅうで水素イオンすいそいおんを、 塩基えんきは水酸化物イオンすいさんかぶついおんを出だし、 ブレンステッド・ローリーの定義ていぎではプロトン供与体プロトンきょうよたいとプロトン受容体プロトンじゅようたいと捉とらえ直なおす
• pH = -log[H⁺]で水のイオン積みずのイオンせき $K_w={10}^{-14}$ から pH + pOH = 14 が成立せいりつし、 電離度でんりどにより強酸きょうさん / 弱酸じゃくさんが区別くべつされる
• 中和滴定ちゅうわてきていではビュレットで正確せいかくに滴下てきかし、 滴定曲線てきていきょくせんの当量とうりょう点てんに応おうじた指示薬しじやく (フェノールフタレイン / メチルオレンジ) を選えらぶ