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・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、 強塩基つよえんき 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
• 滴しずく定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 水素イオンすいそイオン 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イオン 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、 同どう 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、 酸さん 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 価数あたいすう 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 値ね (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 | | 強塩基つよえんき | 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」 = 強つよ塩基えんき、 と 覚おぼえれば ほぼ OK。 残のこり は 弱じゃく と 考かんがえて 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 強つよ塩基えんき、 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 値ね 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 値ね 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
pH = 7	[中性
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 → 塩しお + 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)	強つよ塩基えんき (NaOH)	中性ちゅうせい
CH₃COONa	弱酸じゃくさん (CH₃COOH)	強つよ塩基えんき (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 方かた 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 + 強つよ塩基えんき → 塩基えんき性せい寄より。 これ を 塩 の 加水分解しお の かすいぶんかい と いう。

5. 中和ちゅうわ滴しずく定じょう

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 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)。

中和ちゅうわ滴しずく定じょう 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 分ぶんから 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

滴しずく定てい曲線きょくせん と 指示薬しじやく

滴しずく定じょう中ちゅう の pH 変化へんか を グラフ に した もの を 滴定曲線しずくていきょくせん 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。

滴しずく定じょう 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 強つよ塩基えんき	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 強つよ塩基えんき	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)	滴しずく定じょう に 不向ふむき

ポイント: 「弱じゃく と 強つよ の 組合くみあわせ で は、 強つよい 方かた 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 + 強つよ塩基えんき → 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 滴しずく定じょう 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 / 強つよ塩基えんき、 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 塩しお 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・強つよし塩基えんき・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 め られ る
• [ ]中和ちゅうわ反応はんのう式しき を 書しょ き、 でき る 塩しお の 液えき性せい を 推定すいてい で き る
• [ ]中和ちゅうわ滴しずく定じょう の 計算けいさん (a c₁ V₁ = b c₂ V₂) が で き る
• [ ]滴しずく定じょう の 種類しゅるい に 応 じ て 指示薬しじやく を 選せん 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 強塩基つよえんき (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 ず 保護メガネほごメガネ 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い 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 少しょう し ず つ」 (逆ぎゃく だ と 突沸にえ し て 飛とび び 散ち る)
• 中和ちゅうわ滴しずく定じょう 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 流ながれ 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 う と 気道きどう を 刺激しげき する。 ドラフト内 で 扱 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 学がく 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 み 立たつ 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 水素イオンすいそイオン を、 塩基えんき は 水酸化物イオンすいさんかぶつイオン 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、 滴定曲線しずくていきょくせん 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