酸と塩基 (日本語)

酸と塩基の定義
および水の役割

ボイルによる酸と塩基の特性

1661年、ロバートボイルは酸の性質を次のように要約しました。

1。酸は酸味があります。

2。酸は腐食性です。

3。酸は、リトマスなどの特定の植物染料の色を青から赤に変えます。

4。酸はアルカリと組み合わせると酸性度を失います。

「酸」という名前はラテン語のアシダスに由来し、「酸っぱい」を意味し、多くの酸の鋭い匂いと酸味を意味します。

例：酢は酢酸の水溶液であるため、酸味があります。レモン果汁はクエン酸を含んでいるので酸味があります。乳は、乳酸が生成されるために腐敗すると酸っぱくなります。腐った肉やバターの不快な酸っぱい臭いは、脂肪が腐敗すると形成される酪酸などの化合物に起因する可能性があります。

1661年にボイルはアルカリの特性を要約しました

• アルカリはつるつるした感じがします。
• アルカリはリトマスの色を赤から青に変えます。
• アルカリは、と組み合わせるとアルカリ性が低下します。酸。

本質的に、ボイルはアルカリを酸を消費または中和する物質として定義しました。酸は、アルカリと混合すると、特徴的な酸味と金属を溶解する能力を失います。アルカリは、リトマスが酸と接触したときに発生する色の変化を逆転させます。アルカリは、特定の塩を作るための「塩基」として機能するため、最終的には塩基として知られるようになりました。

アレニウス酸と塩基の定義

1884年、Svante Arrheniusは、NaClなどの塩が水に溶解すると解離して、イオンと呼ばれる粒子を生成することを提案しました。

3年後、アレニウスは、酸が水に溶解するとイオン化してH +イオンと対応する負イオンを生成する中性化合物であることを示唆してこの理論を拡張しました。彼の理論によれば、塩化水素は、下の図に示すように、水に溶解するとイオン化して水素（H +）イオンと塩化物（Cl-）イオンを生成するため制酸剤です。

アレニウスは、塩基は水中で解離またはイオン化してOH-イオンと陽イオンを生成する中性化合物であると主張しました。 NaOHは、水中で解離して水酸化物（OH-）イオンとナトリウム（Na +）イオンを生成するため、アレニウス塩基です。

したがって、アレニウス酸は、水に溶解してH +または水素イオンを生成するときにイオン化する物質です。

アレニウス塩基は、水に溶解したときにOH-または水酸化物イオンを与える物質です。

アレニウス酸には、HCl、HCN、H2SO4などの化合物が含まれ、水中でイオン化してH +イオンを生成します。アレニウス塩基には、NaOH、KOH、Ca（OH）2などのOHイオンを含むイオン性化合物が含まれます。

この理論は、酸が同様の特性を持つ理由を説明しています。酸の特性は、H +の存在に起因します。酸が水に溶解するときに生成されるイオン。また、酸が塩基を中和する理由、およびその逆の理由についても説明します。酸はH +イオンを提供します。塩基はOHイオンを提供します。これらのイオンが結合して水を形成します。

H +（aq）+ OH-（aq） H2O（l）

アレニウス理論にはいくつかの欠点があります。

• 化合物が水に溶解したときに何が起こるかという観点から酸と塩基を定義するため、水中で発生する反応にのみ適用できます。
• そうではありません。水素の酸化数が+1の化合物（HClなど）が水に溶解して酸性溶液を生成するのに対し、他の化合物（CH4など）は溶解しない理由を説明します。
• アレニウス塩基として分類できるのは、OH-イオンを含む化合物のみです。アレニウス理論では、他の化合物（Na2CO3など）が塩基の特徴的な特性を持っている理由を説明できません。

水溶液の化学におけるH +およびOH-イオンの役割

酸素（EN = 3.44）は水素（EN = 2.20）よりもはるかに電気陰性であるため、水中のHO結合の電子は「水素原子と酸素原子によって等しく共有されていません。これらの電子は、分子の中心にある酸素原子に向かって引き寄せられ、両端の水素原子から離れます。その結果、水分子は極性になります。酸素原子は部分的に負の電荷（-）を持ち、水素原子は部分的に正の電荷（+）を持ちます。

したがって、水分子はイオンを形成し、正に帯電したH +イオンと負に帯電したOH-イオンを形成します。

逆の反応も発生する可能性がありますH +イオンがOH-イオンと結合して中性の水分子を形成する可能性があります。

水分子が解離してH +イオンとOH-イオンを形成し、それらが再結合して水分子を形成するという事実は、次の式で示されます。

水はどの程度解離してイオンを形成しますか？

25℃では、水の密度は0.9971 g / cm3、つまり0.9971 g / mLです。したがって、水の濃度は55.35モルです。

この温度で中性H2O分子の解離によって形成されるH +およびOH-イオンの濃度は次のとおりです。わずか1.0x 10-7 mol / L。したがって、中性H2O分子の濃度に対するH +（またはOH-）イオンの濃度の比率は1.8 x10-9です。

言い換えると、室温で解離してイオンになる水分子は約2パーツパービリオン（ppb）だけです。下の図は、20個の水分子のモデルを示しています。そのうちの1つは解離して、H +イオンとOH-イオンのペアを形成しています。このイラストが水の構造の非常に高解像度の写真である場合、2500万枚の写真ごとに平均して1回だけH +とOH-イオンのペアに遭遇します。

酸との操作上の定義塩基

可逆反応で水が解離してH +およびOH-イオンを形成するという事実は、Arrheniusによって提案された定義よりも強力な酸および塩基の操作上の定義の基礎です。操作上の意味で、酸は、水に溶解したときにH +イオンの濃度を増加させる物質です。塩基とは、OH-イオンが水に溶解したときにその濃度を増加させる物質です。

これらの定義は、酸と塩基の理論を酸と塩基の簡単な実験室試験に結び付けます。化合物が酸であるか塩基であるかを判断するには、それを水に溶解し、溶液をテストして、H +またはOH-イオン濃度が増加したかどうかを確認します。

一般的な酸と塩基

酸と塩基の特性は、金属と金属の化学的性質の違いに起因します。これらのクラスの化合物の化学からわかるように、非金属：水素、酸化物、および水酸化物。

非金属に結合した水素を含む化合物は、非金属水素化物と呼ばれます。これらの化合物は+1酸化状態で水素を含んでいるため、水中のH +イオンの供給源として機能します。

一方、金属水素化物には、金属に結合した水素が含まれています。これらの化合物はa-1酸化状態の水素を含んでいるため、水中で解離してH-（または水素化物）イオンを生成します。

H-イオンは、その価電子のペアとともに、水分子からH +イオンを引き抜くことができます。

水分子からH +イオンを除去することは、溶液中のOH-イオン濃度を高めるための方法であるため、金属水素化物が塩基です。

同様のパターンは、金属と非金属によって形成される酸化物の化学的性質にも見られます。非金属酸化物は水に溶解して酸を形成します。 CO2は水に溶解して炭酸を生成し、SO3は硫酸を生成し、P4O10は水と反応してリン酸を生成します。

金属酸化物一方、はベースです。金属酸化物には正式にはO2-イオンが含まれており、水と反応して1対のOH-イオンを生成します。

したがって、金属酸化物はabase。

OHを含む化合物の化学にも同じパターンが見られます。または水酸化物、グループ。 LiOH、NaOH、KOH、Ca（OH）2などの金属水酸化物が塩基です。

非金属水酸化物、次亜塩素酸（HOCl）などは酸です。

次の表は、これら3つのカテゴリの化合物で観察された傾向をまとめたものです。金属水素化物、金属酸化物、および金属水酸化物が塩基です。非金属水素化物、非金属酸化物、および非金属水酸化物は酸です。

一般的な酸と塩基

上記の表の非金属水酸化物の酸性水素原子は、窒素に結合していません。硫黄、またはリン原子。これらの各化合物では、酸性水素が酸素原子に結合しています。したがって、これらの化合物はすべて、オキシ酸の例です。

8つのオキシ酸の骨格構造を下の図に示します。原則として、酸素を含む酸は、酸性水素が酸素原子に結合している骨格構造を持っています。

• 酸は中性の水分子にH +イオンを供与することで水と反応し、H3O +イオンを形成します。

• 塩基は水分子からH +イオンを受け取り、OH-イオンを形成することで水と反応します。

• 水分子は酸からH +イオンを獲得することにより、酸塩基反応の中間体として機能します

および次に、これらのH +イオンを塩基に失います。

Brnstedモデルは、他の溶媒での酸-塩基反応に拡張できます。たとえば、液体アンモニアでは、H +イオンが1つのNH3分子から別の分子に移動してNH4 +およびNH2-イオンを形成する傾向がわずかにあります。

水溶液の化学との類推による、液体アンモニア中の酸にはNH4 +イオンの任意の供給源が含まれ、塩基にはNH2-イオンの任意の供給源が含まれると結論付けます。

Brnstedモデルは、溶液中では発生しない反応にも拡張できます。気相の酸塩基反応の典型的な例は、濃塩酸とアンモニア水溶液の開いた容器を並べて保持した場合に発生します。 。一方の溶液から逃げるHClガスがもう一方の溶液からのNH3ガスと反応すると、すぐに塩化アンモニウムの白い雲が形成されます。

この反応にはHClからNH3へのH +イオンの移動は、気相で発生しますが、Brnsted酸塩基反応です。