化 学 (化学反応)

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 ここでは,酸・塩基反応に関連し,【酸・塩基反応とは】【アレニウスの酸と塩基の反応】【電離定数と酸・塩基反応】に項目を分けて紹介する。

 【酸・塩基反応とは 】

 酸・塩基の反応とは,塩を形成する化学反応をいう。
 アレニウスの定義による酸と塩基の反応では,水と金属塩を生成する。
 ブレンステッド・ローリーの定義による酸と塩基の反応では,金属塩に限定されず,必ずしも水の生成を伴わない反応で,非水溶液での反応も扱える。
 酸・塩基の反応の多くは,発熱反応であるが,吸熱反応(炭酸水素ナトリウムと酢酸など)もある。
 なお,酸と同じモル当量の塩基の反応を,特に中和反応( neutralizing reaction )という。中和反応の結果として水溶液が中性( pH 7 )になると誤解される場合もあるが,反応の最終的な pH は,反応に関わる物質の特性(酸性度など)や量により決まるものである。
 ここでは,アレニウスの定義による酸・塩基反応を中心に紹介する。

 

 【アレニウスの酸と塩基の反応 】

 【酸・塩基とは】で紹介したように,アレニウスの定義では,
 アレニウス酸:水溶液中においてプロトン( H+ )を出す物質。現在は,プロトンではなく,ヒドロニウム(オキソニウム)イオン( H3O+ )という。
 この定義に当てはまる酸は,塩酸( HCl ),硝酸( HNO3),酢酸( CH3COOH ),硫酸( H2SO4 ),炭酸( H2CO3 )など酸として知られるものの多くが該当する。
 アレニウス塩基:水に溶けた時に水酸化物イオン( OH- )を出す物質。
 この定義に当てはまる塩基は,化学式中に OH を含む水酸化ナトリウム( NaOH ),水酸化カリウム( KOH ),水酸化カルシウム( Ca(OH)2 )や水酸化マグネシウム( Mg(OH)2 )などに限定される。よく知られるアンモニア( NH3 )は,アレニウス塩基ではなくブレンステッド塩基に分類される。
 
 酸と塩基の水溶液中での反応
 水溶液中で次に示す電離状態にあるアレニウス酸( HX )の水溶液①と,アレニウス塩基( YOH )を含む水溶液②を混合した場合を考える。
    ① 酸の電離 :  HX + H2O ⇆ X- (aq) + H3O+
    ② 塩基の電離: YOH + H2O ⇆ Y+ (aq) + OH-
( aq ) は水和を意味する。水溶液①と②を混合すると,
      HX + YOH + H2O
      ⇆ X- (aq) + Y+ (aq) + OH- + H3O+
      X- (aq) + Y+ (aq) + 2H2O
      ⇆ XY (aq) + 2H2O
のように,溶媒の水を含んだ複数の化学反応の段階に分けられる。
 しかし,一般的には,次に示すように,水溶液中の反応であっても,溶媒の水と中間段階を省略し,最初と最後の状態を不可逆反応のように表示される。
      HX + YOH → XY (aq) + H2O
 実際の水溶液では,【無機塩の水溶解】で紹介したように,生成した塩( XY )は,その温度で決まる溶解度(溶解度積)に至るまでは,安定な陽イオン水和物( Y+ (aq) )と陰イオン水和物( X-(aq) )として存在する。

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 【電離定数と酸・塩基反応】

 アレニウスの酸・塩基には,電離定数の大きい強酸,強塩基と電離定数の小さい弱酸,弱塩基がある。
 ここでは,これらの組み合わせによる反応の特徴を考える。
 
 強酸と強塩基の反応
 電離定数の大きい強酸と強塩基の反応では,酸・塩基の電離を見かけ上は,不可逆反応として扱うことができる。
    強 酸 : HX + H2O → X- (aq) + H3O+
    強塩基: YOH + H2O → Y+ (aq) + OH-
 例えば,1 価の塩酸と 1 価の水酸化ナトリウムの反応は,
      HCl + NaOH → NaCl + H2O
と表記するが,水溶液中では,水和したNa+ イオン,Cl- イオンとして存在している。
 強酸と強塩基の反応では,それぞれの物質量により,水溶液中のイオン濃度,pH が変わる。その変化量を知るためには,【強酸・強塩基の pH 】で紹介したように,水の自己解離,電解質の物質収支,電気的中性原理で導かれる連立方程式を解かなければならない。詳細については,【強酸・強塩基の滴定】で紹介する。
 
 弱酸や弱塩基の関与する反応
 弱酸と弱塩基は,水溶液中で,それぞれ次の電離平衡にある。
    弱 酸 : HX + H2O ⇆ X- (aq) + H3O+   Ka = [ X- ] [ H3O+ ] /[ HX ]
    弱塩基: YOH + H2O ⇆ Y+ (aq) + OH-   Ka = [ Y+ ] [ OH- ] /[ YOH ]
 このように,それぞれ単独に存在する水溶液中では,電離定数に応じて,一部の分子しか解離しない。例えば,0.01 mol /L酢酸水溶液では,数%の分子しか電離していない。
 混合した水溶液中では,酸と塩基の組み合わせと量比に応じた複雑な変化が起きる。この詳細については,【弱酸・強塩基の滴定】【弱酸・弱塩基の滴定】で紹介する。
 
 多価の酸・塩基の関与する反応
 硫酸( H2SO4 ),炭酸( H2CO3 )などの多価の強酸・塩基(多 段階で電離)が関与する反応では, pH 変化(滴定曲線など)を検討する際に,【電離平衡】で紹介したように,各段階の電離定数が大きく異なるので,これを考慮しなければならない。

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