酸・塩基の定義

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8-25-2017 updated

  1. 酸・塩基の定義
    • アレニウスの定義
    • ブレンステッド・ローリーの定義
    • ルイスの定義

  2. 強酸・強塩基の定義


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酸・塩基の定義

酸・塩基についての項目は、以下の 5 つのページにまとまっている。体系的に学びたい人は、以下の順に読むことをお勧めする。

  1. 質量作用の法則と平衡定数
  2. ルシャトリエの原理
  3. 酸・塩基の定義 (このページ)
  4. 水のイオン積と pH
  5. 解離定数
  6. 緩衝液 buffer について

このページでは、プロトン H+ を多く取り扱う。水 H2O が存在するとき、H+ は単独では存在できず、常に水分子と結合した ヒドロニウムイオン H3O+ (hydronium ion ) や multimer H5O2+、さらには H7O3+ として存在しているが (1)、便宜上 H+ という表記が受け入れられている。ここでは、原則として H+ を使うことにする。なお、OH-ヒドロキシイオン hyroxide ion と呼ばれる。


アレニウスの定義

水溶液中で水素イオン H+ を放出するものが酸、ヒドロキシイオン OH- を放出するものが塩基である (2)。

1884 年に提唱されたアレニウス Arrhenius の定義は、最もシンプルな定義であり、

  • HCl ⇌ H+ + Cl-
  • CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO-

などが酸となる。塩基の代表的なものは

  • NaOH ⇌ Na+ + OH-
  • NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-

である。アンモニア NH3 はそれ自身が OH- をもっているわけではないが、水と反応して OH- を放出するので塩基に分類される。

この 水溶液中で というのがアレニウスの定義のポイントである。たとえば このページ でも酸・塩基の定義を解説しているが、「水溶液中」という点が明確に述べられていない。ものごとを理解するためにはまず定義を正確に押さえることが重要である。


ブレンステッド・ローリーの定義

アレニウスの定義を拡張し、水溶液中でなくても酸・塩基の概念が成り立つようにしたのがブレンステッド・ローリー (Bronsted & Lowry) の定義である。1923 年に提唱された。

水素イオン H+ を放出するものが酸、受け取るものが塩基である。


この定義では、新たに 共役酸 conjugate acid および 共役塩基 conjugate base という概念も生まれる。具体例で見てみよう。

  1. HCl ⇌ H+ + Cl-
  2. HCl + NH3 ⇌ NH4+ + Cl-

1 の反応では、HCl は明らかに酸である。しかしこの反応は平衡反応であるため、実際は右辺と左辺が行ったり来たりしている。よって、左向きの反応では Cl- が水素イオンを受け取って HCl になっていると考えて良い。このような場合、Cl- を HCl の共役塩基という。

このページのはじめに述べたように、1 の式は実際には

  • HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl-

であるので、右向き反応では水素イオンを受け取っている H2O が塩基である。左向き反応を考えると、H3O+ が水素イオンを放出しているので、H3O+ が H2O の共役酸ということになる。

2 の反応では、Cl- が HCl の共役塩基、NH4+ が NH3 の共役酸である。


ルイスの定義

ルイスの定義では 電子対を放出するものが酸、受け取るものが塩基である。


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強酸・強塩基の定義

上記のように酸・塩基には複数の定義があるので、強酸・強塩基の定義もまた複数である (2)。

強酸 強塩基
アレニウス

水溶液中で電離度が高いものほど、H+ をたくさん放出することになる。電離度が高い酸を強酸という。

電離度が高く、OH- を多く放出する塩基が強塩基である。

ブレンステッド・ローリー

アレニウス定義と同じである。

岩波 理化学辞典 第5版 (Amazon) には、ふつう pKa が 3 以下のものをいう と書かれている。

  • 過塩素酸 HClO4
  • 塩酸 HCl
  • 硝酸 HNO3
  • 硫酸 H2SO4

などが強酸である。

H+受け取る傾向が強い塩基 をいう。水溶液系では

  • 水酸化ナトリウム NaOH
  • 水酸化バリウム Ba(OH)2
  • [Co(NH3)6](OH)3

などが例として挙げられている (2)。

一般に、陽イオンのイオン半径が大きく、電化数が小さい水酸化物は塩基性が強い。

ルイス

電子対を受容する力の大きい多価陽イオンである (2)。三フッ化ホウ素など。

ルイス塩基性の強いのは弱酸の共役塩基である (2)。

  • OH-
  • CH3O-
  • NH2-
  • CN-
  • S2-
  • 環状有機アミン類


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References

  1. 清水 (訳) 2015a. イラストレイテッド ハーパー・生化学 30版.
  2. 岩波 理化学辞典 第5版: 使っているのは 4 版ですが 5 版を紹介しています。