酸と塩基 — 性質・pH・反応

酸はプロトンを与えるか、水中でヒドロニウムイオンを増やす物質です。塩基はプロトンを受け取るか、水中で水酸化物イオンを増やす物質です。これが、pH、中和、そして初学者向けの酸塩基の問題の多くを理解するための中心的な考え方です。

1つだけ判定の基準を覚えるなら、これを使ってください。与えられた条件で、その化学種は $H^+$ を放出するのか、それとも $H^+$ を受け取るのか、という点です。水溶液では、この同じ考え方が、酸性の溶液ほど pH が低く、塩基性の溶液ほど pH が高いという形で表れます。

酸とは何か、塩基とは何か

高校化学や入門化学では、特に重要な定義が2つあります。

アレニウスの定義は、水溶液の化学では最もシンプルです。酸は水中で $[H_3O^+]$ を増やし、塩基は水中で $[OH^-]$ を増やします。pH や標準的な中和反応が問われているときには、この見方が最も実用的です。

ブレンステッド・ローリーの定義は、より広い範囲を扱えます。酸はプロトン $H^+$ を与え、塩基はプロトンを受け取ります。この定義によって、多くの酸塩基反応がプロトン移動反応として理解できる理由がわかります。

どちらの定義も間違いではありません。問題が明らかに水溶液と pH に関するものであれば、アレニウスの見方を使います。どの物質がプロトンを与え、どの物質がそれを受け取るかを追いたいときは、ブレンステッド・ローリーの見方を使います。

pH と酸・塩基の関係

水溶液では、pH は酸性・塩基性の強さを実用的に表す尺度です。pH が低いほどヒドロニウムイオン濃度が高く、溶液はより酸性です。pH が高いほどヒドロニウムイオン濃度が低く、溶液はより塩基性です。

$25^\circ \mathrm{C}$ 付近の希薄な水溶液では、授業でよく使われる基本ルールは次のとおりです。

• pH が $7$ 未満：酸性
• pH が約 $7$：中性
• pH が $7$ より大きい：塩基性

ただし、このルールには条件があります。中性が常に厳密に pH $7$ とは限りませんし、非常に高濃度の溶液では、授業でよく扱う $0$ から $14$ の範囲を外れることもあります。

酸塩基反応では何が起こるか

酸塩基反応では、酸から塩基へプロトンが移動します。多くの水溶液の例では、これは中和として現れます。

水中で強酸と強塩基が反応する場合、正味のイオン反応式は次のようになります。

$$H_3O^+ + OH^- \rightarrow 2H_2O$$

この式は、反応の本質的な変化を示しています。ヒドロニウムイオンと水酸化物イオンが結びついて水になるため、溶液は反応前よりも酸性でも塩基性でもなくなります。

例題：HCl と NaOH の反応

$0.10 \, \mathrm{M}$ の HCl を $25.0 \, \mathrm{mL}$、$0.10 \, \mathrm{M}$ の NaOH を $25.0 \, \mathrm{mL}$ 混合するとします。

この入門的な設定では、どちらも強電解質として、水中で酸性または塩基性の化学種を完全に生じるものとして扱います。それぞれの物質量は

$$n = MV = 0.10 \times 0.0250 = 0.00250 \, \mathrm{mol}$$

となります。

したがって、混合物は最初に酸と塩基を等しい物質量だけ含んでいます。

酸性の化学種と塩基性の化学種は $1:1$ の比で反応します。量が等しいので、中和後にはどちらも余りません。主に残るのは水と、傍観イオンである $Na^+$ と $Cl^-$ です。

この条件では、最終的な溶液はおよそ中性です。大事なのは、単に「pH がおよそ $7$ になる」ということではありません。重要なのは、プロトン移動の段階が終わったあとに何が余っているかで最終的な pH が決まる、という点です。

もしどちらかが過剰であれば、最終的な溶液は中性にはなりません。この条件は、「中和」という言葉だけで判断するよりも重要です。

よくある酸塩基の間違い

強酸ならいつでも pH が低いと思ってしまう

酸の強さと pH は関係していますが、同じものではありません。強さは、与えられた条件で酸がどれだけ完全に電離するかを表します。pH は濃度にも依存します。

すべての酸塩基反応は pH 7 で終わると思ってしまう

それが成り立つのは、強酸と強塩基を通常の入門的な水溶液条件で等量混ぜた場合など、限られたケースだけです。弱酸、弱塩基、あるいは量が等しくない場合には、結果は変わります。

水以外の系でも、条件を示さずに pH を使ってしまう

pH は主に水溶液系で使われます。もし対象が水溶液でないなら、pH という言い方が適切かどうかを、より注意して考える必要があります。

塩基は「酸性が弱い」から安全だと思ってしまう

塩基も非常に反応性が高く、腐食性を示すことがあります。酸性か塩基性かということは、無害か危険かを意味するわけではありません。

酸塩基の考え方が使われる場面

酸塩基の考え方は、水中での反応性、溶液の pH、中和、滴定、緩衝液、土壌化学、消化、洗浄剤、工業プロセスの制御などを考えるときに現れます。

また、これは学生が別々の話題として学びがちな化学分野どうしをつなぐ考え方でもあります。酸、塩基、プロトン移動をまとめて理解できるようになると、pH、緩衝液、滴定曲線はずっと読みやすくなります。

似たケースを試してみよう

たとえば、$0.10 \, \mathrm{M}$ の HCl を $25.0 \, \mathrm{mL}$ と、$0.10 \, \mathrm{M}$ の NaOH を $20.0 \, \mathrm{mL}$ 混合するような、量が等しくない場合で自分でも試してみましょう。まず、どちらの反応物が余るかを判断し、そのあとで計算に入る前に、最終的な溶液が酸性か塩基性かを予想してみてください。