酸と塩基のソースを表示

{{Pathnav|[[化学]]|酸塩基化学|frame=1}}{{酸と塩基}}
[[化学]]において、'''酸と塩基'''（さんとえんき、{{lang-en|acid and base}}）とは、[[酸]]および[[塩基]]の総称である。[[化学物質]]の[[分類法]]の1つ。

酸と塩基は、互いに正反対の性質を持っており、[[対義語]]の関係にある。

== 概要 ==
[[酸]]を[[水]]に溶かすと、[[酸性]]の[[水溶液]]ができる。また、[[塩基]]を水に溶かすと、[[塩基性]]（あるいは[[アルカリ性]]）の水溶液ができる。

酸にも塩基にも分類されない化学物質には、特別な[[名称]]は与えられていない。しかしその中でも特に、'''[[中和反応]]'''（あるいは'''[[酸塩基反応]]'''）と呼ばれる化学反応に[[由来]]する化学物質（すなわち、[[中和 (化学)|中和]]することでその化学物質を[[生成物|生成]]するような酸と塩基の組が、少なくとも1組存在するもの）については、『'''[[塩 (化学)|塩]]'''』という[[名称]]が与えられている。

酸性でも塩基性でもない、両者の中間に相当する[[水溶液]]のことを、[[中性 (酸塩基)|中性]]の水溶液という。ただし、『酸にも塩基にも分類されない化学物質』を水に溶かしても、その水溶液が[[中性 (酸塩基)|中性]]になるとは限らない。その代表例が、[[加水分解|塩の加水分解]]である。すなわち、『'''酸性の水溶液や塩基性の水溶液を作ることができる[[溶質]]は、酸や塩基だけではない'''』という点には注意が必要である。

以上の説明は、[[水]]との反応を重視しない[[#ブレンステッド・ローリーの定義|ブレンステッド・ローリーの定義]]や[[#ルイスの定義|ルイスの定義]]を用いたものである。しかし、水との反応を重視する[[#アレニウスの定義|アレニウスの定義]]を用いた場合は、この限りではない。

すなわち、アレニウスの定義を用いた場合は、『'''酸性の水溶液や塩基性の水溶液を作ることができる[[溶質]]は、酸や塩基だけ'''』である。

== 定義 ==
現代の化学では、主に[[#アレニウスの定義|アレニウスの定義]]、[[#ブレンステッド・ローリーの定義|ブレンステッド・ローリーの定義]]、[[#ルイスの定義|ルイスの定義]]、[[#ウサノビッチの定義|ウサノビッチの定義]]という4つの[[定義]]方法が存在する。アレニウスの定義が最も厳しく、この順に、酸あるいは塩基に分類される化学物質の種類が増加していき、酸にも塩基にも分類されない化学物質の種類が減少していく。

そのときそのときの目的に応じて、最も適切な[[定義]]を採用することが大切である。

=== アレニウスの定義 ===
[[スウェーデン]]の[[科学者]][[スヴァンテ・アレニウス]]は、酸と塩基を以下のように定義した[[#MF1|<sup>MF1</sup>]]{{Rp|page=144}}：


* 酸：[[水]] <chem>{H2O}</chem> と反応して、[[ヒドロニウムイオン]] <chem>{H3O^+}</chem> を[[生成物|生成]]する物質{{efn|この物質を構成していた[[陰イオン]]が、 <chem>{H3O^+}</chem> の生成と同時に電離するので、水溶液全体としては電気的に中性である。}}。
* 塩基：水 <chem>{H2O}</chem> と反応することによって、あるいは[[水中]]で[[解離 (化学)|解離]]することによって、[[水酸化物イオン]] <chem>{OH^-}</chem> を[[生成物|生成]]する物質{{efn|この物質を構成していた[[陽イオン]]が、 <chem>{OH^-}</chem> の生成と同時に電離するので、水溶液全体としては電気的に中性である。}}。


アレニウスの定義を採用すると、水と反応して酸性の水溶液を生成する[[塩 (化学)|塩]]（たとえば、[[塩化アンモニウム]]や[[硫酸水素ナトリウム]]など。）は[[酸]]に分類され、水と反応して塩基性の水溶液を生成する塩（たとえば、[[酢酸ナトリウム]]や[[炭酸ナトリウム]]など。）は[[塩基]]に分類される。すなわち、前者の物質は塩であると同時に酸でもあり、後者の物質は塩であると同時に塩基でもある。

アレニウスの定義における塩基のことを、'''[[アルカリ]]'''という。

なお、この定義文からも分かるように、アレニウスの定義には『[[水溶液]]以外の状態（たとえば[[気体]]や、[[融解]]した[[液体]]など。）に対しては、酸と塩基を定義することができない[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=320}}』という欠点がある。

=== ブレンステッド・ローリーの定義 ===
{{Main|ブレンステッド-ローリーの酸塩基理論}}

アレニウスの定義における欠点を補うため、[[デンマーク]]の[[化学者]][[ヨハンス・ブレンステッド]]と[[イギリス]]の[[化学者]][[マーチン・ローリー]]は、[[ヒドロン]] <chem>{H^+}</chem> を用いて、酸と塩基の概念を以下のように再定義した：


* 酸：ヒドロン <chem>{H^+}</chem> を他の物質に渡すことができる物質[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=320}}
* 塩基：ヒドロン <chem>{H^+}</chem> を他の物質から受け取ることができる物質[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=320}}


ブレンステッド・ローリーの定義では、通常の分子である場合はもちろん、[[イオン化]]した[[分子]]に対しても酸や塩基が定義できる。ブレンステッド・ローリーの定義は、定義の範囲を[[水溶液]]に限定していないので、アレニウスの定義にあった「水溶液にしか定義できない」という欠点が解消されている。

==== アレニウスの定義との関係 ====
アレニウスによる酸の定義は、ブレンステッド・ローリーによる酸の定義における「他の物質」が水分子である場合に相当するので、ブレンステッド・ローリーによる酸の定義はアレニウスによる酸の定義を含意する。

一方ブレンステッド・ローリーによる塩基の定義は、見かけ上、アレニウスによる塩基の定義と大幅に異なるが、『アレニウスによる塩基の定義における「塩基」が生成する水酸化物イオン <chem>{OH^-}</chem> が、ブレンステッド・ローリーによる塩基の定義における「他の物質」である反応相手の酸から[[ヒドロン]] <chem>{H^+}</chem> を奪って、[[水分子]] <chem>{H2O}</chem> を生成する』と考えれば、ブレンステッド・ローリーによる塩基の定義がアレニウスによる塩基の定義を含意している事が分かる。

==== 定義の相対性 ====
アレニウスの定義と違い、ブレンステッド・ローリーによる酸と塩基の定義は、反応相手となる「他の物質」の存在があって初めて意味を持つものである。したがってある物質が「他の物質」Xに対しては酸であるにもかかわらず、Xとは異なる「他の物質」Yに対しては塩基であるという事も起こりうる。

例えば、水は[[塩酸]]に対しては塩基として働くが[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}、[[アンモニア]]に対しては酸として働く[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}。

==== 共役塩基と共役酸 ====
酸(acid)を HA 、塩基(base)を B とすると、ブレンステッド・ローリーによる酸塩基反応は一般に次の[[化学反応式]]で表される[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}：

: <math>\begin{matrix}
 & \rm HA & + & \rm B \ & \overrightarrow\longleftarrow \ & \rm A^- & + & \rm HB^+ \\
 & \rm ^{acid} & & \rm ^{base} & & \rm ^{conjugate \ base} \ & & \rm ^{conjugate \ acid} \\
\end{matrix}</math>

この式は、左辺から右辺への反応と、右辺から左辺への反応がともに起こる反応（[[可逆反応]]）であることを意味する（この[[化学平衡]]の平衡定数から[[酸解離定数]]を定義する）。

そこで逆に、右辺から左辺への反応過程を見てみると、（ブレンステッド・ローリーの定義における）塩基 <chem>{A^-}</chem> と酸 <chem>{HB^+}</chem> が反応して、 HA と B とを生成していると解釈できる。

こうした理由により、<chem>{A^-}</chem> を酸 HA の'''[[共役塩基]]'''(conjugate base)と呼び、 <chem>{HB^+}</chem> を塩基 B の'''[[共役酸]]'''と呼ぶ[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=321}}。

=== ルイスの定義 ===
{{Main|en:Lewis acids and bases}}
[[アメリカ]]の[[化学者]][[ギルバート・ルイス]]は、ブレンステッド・ローリーの定義よりもさらに範囲を広げて、以下のような、[[電子対]]の授受を用いた定義を考案した：


* 酸：電子対を他の物質から受け取ることができる物質[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=346}}
* 塩基：電子対を他の物質に渡すことができる物質[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=346}}


ブレンステッド・ローリーの定義における塩基 B は、[[ヒドロン]] <chem>{H^+}</chem> を受け取る際、 B 内にある[[電子対]]をヒドロン <chem>{H^+}</chem> に供与する事により、 <chem>{HB^+}</chem> を作るので、ルイスによる塩基の定義はブレンステッド・ローリーによる塩基の定義を含意する[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=346}}。同様の理由により、ルイスによる酸の定義はブレンステッド・ローリーによる酸の定義を含意する[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=346}}。

しかしルイスの定義は、ヒドロン <chem>{H^+}</chem> の授受を伴わない反応に対しても酸や塩基を定義できる事に利点がある。例えば、

: <math>\mathrm{Al}^{3+} + 6\mathrm{H_2O}</math><chem>\ <=>\ </chem><math>\mathrm{Al}(\mathrm{H_2O})_6{}^{3+}</math>

という反応では、ヒドロン <chem>{H^+}</chem> の授受は行われないものの、 <chem>{H2O}</chem> が電子対を供与して <math>\mathrm{Al}^{3+}</math> がその電子対を受容するため、 <math>\mathrm{Al}^{3+}</math> はルイスの定義における酸であり、 <chem>{H2O}</chem> はルイスの定義における塩基である[[#MF2|<sup>MF2</sup>]]{{Rp|page=346}}。

=== ウサノビッチの定義 ===
[[1939年]]に[[ソビエト連邦]]の[[ウサノビッチ]] ({{lang|ru|М. Усанович}}) が提出した定義では、酸は[[水素イオン]]およびその他の[[陽イオン]]を放出するもの、あるいは[[電子]]および[[陰イオン]]と結合する能力のあるものはすべて含まれる[[#田中71|<sup>田中71</sup>]]{{要ページ番号|date=2017年8月}}。

: <math>\begin{matrix}
 & \rm Na & + & \rm H_2O \ & \overrightarrow\longleftarrow \ & \rm Na^+ & + & \rm OH^- & + & \rm \dfrac{~1~}{2} H_2 \\
 & \rm ^{base} & & \rm ^{acid} & & \rm ^{acid} & & \rm ^{base} & & \rm ^{base} \\
\end{matrix}</math>

この定義では陰イオンおよび電子（および電子を放出するもの）まで塩基となり、電子の授受といった[[酸化還元反応]]までを[[酸塩基反応]]と解釈し、究極にはすべての[[化学反応]]を包括することになり拡張解釈が過ぎるため、今日ではこの定義が用いられることはほとんどない。

しかし、この定義は『どこまでなら解釈を拡張しても良いのか』という[[議論]]を引き起こす[[きっかけ]]となったため、その点で、ウサノビッチの功績は大きいと言える。

== 化学的性質 ==
この節では、[[#アレニウスの定義|アレニウスの定義]]における「酸」と「塩基」がもつ化学的性質について解説する。

[[ファイル:1-Blue_and_red_litmus_paper.jpg|左|サムネイル|リトマス試験紙]]

* [[水]]に[[酸]]を溶かし、その[[水溶液]]を[[リトマス試験紙]]につけると、リトマス試験紙の色が[[赤色]]に変色する。逆に、水に[[塩基]]を溶かし、その水溶液をリトマス試験紙につけると、リトマス試験紙の色が[[青色]]に変色する。

* 酸性の水溶液は[[鉄]]を溶かして[[水素]]を生じる。（塩基性では反応なし）

* 酸性の水溶液には[[酸味]]があり、塩基性の水溶液には[[苦味]]がある。

* 塩基性の水溶液が[[皮膚]]に付着すると、ヌルヌルとした感触が感じられる。<!--

== 学問的意義 ==
これまで述べてきた通り、我々[[人類]]が研究する[[化学]]（[[酸塩基化学]]）は、世の中に存在するさまざまな[[陽イオン]]・[[陰イオン]]のなかで、 <chem>{H3O^+}</chem> や <chem>{H^+}</chem> 、 <chem>{OH^-}</chem> だけを非常に特別視している（たとえば、[[塩化ナトリウム]] <chem>{NaCl}</chem> を[[融解]]すると <chem>{Na^+}</chem> と <chem>{Cl^-}</chem> とに分解できるが、[[化学物質]]を『 <chem>{Na^+}</chem> を持っているもの』『 <chem>{Cl^-}</chem> を持っているもの』の2つに[[分類]]して考えることは、基本的に無い。）。それは、これらを特別視することに学問的な[[Wikt:意義|意義]]があるからである。

まず初めに、[[水]]は、人類にとって最も身近な[[液体]]である。[[地球]]上にはおよそ14億km³もの水が存在し、化学の研究だけでなく、人類が[[生命]]を維持するうえでも必要不可欠な物質である<ref>[https://www.env.go.jp/policy/hakusyo/zu/h22/html/hj10010401.html#:~:text=1%20%E5%9C%B0%E7%90%83%E4%B8%8A%E3%81%AE%E6%B0%B4,%E5%9C%B0%E4%B8%8B%E6%B0%B4%E3%81%A8%E3%81%AA%E3%81%A3%E3%81%A6%E3%81%84%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82 第 1節 地球とわが国の水環境の状況]</ref>。そして[[水]]は、その他の多くの人工的な[[溶媒]]と異なり、[[自然界]]で容易に採取することができる[[溶媒]]である。

また[[#アレニウスの定義|アレニウスの定義]]については、[[水分子]] <chem>{H2O}</chem> が[[ヒドロン]] <chem>{H^+}</chem> と[[水酸化物イオン]] <chem>{OH^-}</chem> とに分解できる事を考えると理解しやすい。この事実を鑑みると、なんら物質を溶かしていない[[純水]]の場合、そこに含まれる <chem>{H^+}</chem> と <chem>{OH^-}</chem> とは同じ量である。

それに対し、酸性の水溶液では、酸が <chem>{H^+}</chem> を生じるので <chem>{H^+}</chem> の方が <chem>{OH^-}</chem> よりも多く、逆に塩基性の水溶液では塩基が <chem>{OH^-}</chem> を生じるので、 <chem>{OH^-}</chem> の方が <chem>{H^+}</chem> よりも多い。

酸性の水溶液と塩基性の水溶液を混ぜ合わせた時に起こる中和は、酸性の水溶液にある <chem>{H+}</chem> と塩基性の水溶液にある <chem>{OH^-}</chem> が反応して水分子 <chem>{H2O}</chem> に変わる過程であると解釈できる。

以上のように、その他の陽イオンや陰イオンではなく、 <chem>{H3O^+}</chem> や <chem>{H^+}</chem> 、 <chem>{OH^-}</chem> を有する化学物質を特別視することは、学問的に大きな意義がある。

逆に言えば、もし仮に、ある[[惑星]]上に水以外の溶媒が大量に存在して、その溶媒に適応するように[[生物]]の[[進化]]が起こっていたとしたら、『その惑星では、我々の[[化学]]とは異なる[[化学]]が大きく発達している』という可能性も否定できない。

-->

== 強度 ==
{{出典の明記|date=2017年8月|section=1}}

ある溶液の酸性（塩基性）の強弱は、それに溶けている酸（塩基）固有の「強度」と、溶液中のその物質の「[[濃度]]」に依存する。例えば、[[硫酸]]は物質としては強い酸であるが、もし濃度が低ければ、溶液全体の酸性は弱い。

それぞれの物質固有の（濃度に依存しない）強度の指標としては、[[酸解離定数]] ({{pKa}}) がある。また、濃度を加味した溶液としての性質の指標として[[水素イオン指数]](pH) 、[[酸度関数]] (''H''<sub>0</sub>) および[[規定度]]がある。これらは場合によって使い分けがされる。酸性度をあらわすために希薄水溶液中では pH を用いるのが一般的であるが、濃厚溶液および非水溶媒中においては酸度関数を用いる。

また有機溶媒中での反応を議論することの多い[[有機化学]]では、[[反応物]]の水素イオンの解離の程度を {{pKa}} によって議論することが多い。

=== 物質固有の強度 ===
水中で電離する化合物の酸性（塩基性）の強弱は、その物質の'''[[電離度]]'''によっておおまかに分類される。電離度は[[電解質]]が溶液中で解離（電離）しているモル比をあらわす値で、電離度がほぼ 1 である酸（塩基）を'''[[強酸]]'''（'''[[強塩基]]'''）、電離度が小さいものを'''[[弱酸]]'''（'''[[弱塩基]]'''）と呼ぶ。また、純硫酸よりも強い酸性媒体を[[超酸]]ということがある。

より定量的に酸（塩基）の強さを示す場合は、解離平衡を考え、その'''[[平衡定数]]''' ''K''<sub>a</sub> の[[対数]]に負号をつけた'''[[酸解離定数]]''' {{pKa}} で表すことが多い。塩基に対しては、共役酸の {{pKa}} か、特に水中の場合では'''[[塩基解離定数]]''' p''K''<sub>b</sub> = 14 − {{pKa}} が用いられる。

例えば、[[酢酸]]の {{pKa}} は 4.76 、[[ギ酸]]の {{pKa}} は 3.77 である<ref>http://daecr1.harvard.edu/pdf/evans_pKa_table.pdf</ref>。{{pKa}} は定義から数値が小さいほど水素イオンを解離しやすい、すなわち強い酸であることを示す。したがって、同じ弱酸でもギ酸のほうが酢酸より 10 倍強いことが分かる。

また、この表記法を用いると、有機物など通常電離するとは考えない化合物に対しても酸・塩基の強度すなわちプロトン解離の指標として用いることができる。例えば、水中での[[メタン]]の {{pKa}} は 48、[[ベンゼン]]は 43 であり、ベンゼンの水素の方がはるかに酸性が強い（すなわち、プロトンとして引き抜かれやすい）ことが分かる。<ref>http://www.chem.wisc.edu/areas/reich/pkatable/index.htm</ref>

塩基の強さは共役酸の {{pKa}} から判断することができる。例えば、プロトン化された[[アンモニア]]（アンモニウム）の{{pKa}} は 9.2、[[トリエチルアミン]]は 10.75 である。すなわち、トリエチルアミンに配位したプロトンはアンモニアの場合に比べて 1 桁ほど解離しにくい。このことは、トリエチルアミンがアンモニアに比べて 10 倍強い塩基であることを示している。

酸解離定数を指標として用いることで、[[クライゼン縮合]]など、水素引き抜きが関与する反応に必要な塩基を推量することができる。

また酸と塩基には、「硬い」「軟らかい」という表現をされる[[定性的]]な性質がある。詳しくは[[HSAB則]]を参照。

=== 濃度を含めた強度 ===
ある物質の溶液の酸・塩基を議論する際には、その物質の濃度も重要な要素となる。濃度を含めた酸・塩基の指標としては、[[規定度]]や[[水素イオン指数]]がある。

[[規定度]]は酸・塩基の価数と[[モル濃度]]の積で表される値で、[[単位]] '''N''' で示される。ただし、[[IUPAC]] <ref>[http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha06sec3.pdf Compendium on Analytical Nomenclature (''The Orange Book'') #6.3 The use of the equivalence concept]</ref>ならびに日本の[[計量法]]{{Refnest|group=注釈|平成9年9月30日までは法定計量単位とみなされていた<ref>{{Cite web|和書|title=計量法 附則第3条第2項 附則別表第2|url=https://laws.e-gov.go.jp/law/404AC0000000051|publisher=e-Gov|accessdate=2019-12-29}}</ref>。}}等では使用が推奨されていない。

[[水素イオン指数]]（pH）は、通常は水溶液中において、水素イオンの濃度を[[対数]]で示したものである。水素イオン指数は現実的な酸・塩基の強度にあった指標であるが、単純に酸・塩基の濃度に比例するものではないため、値を知りたい場合には[[酸塩基指示薬]]などによって調べる必要がある。また、水溶液以外に適用する場合には、[[自己解離]]や[[水平化効果]]を考える必要がある。

[[室温]]では、pHが[[7]]のとき中性、7より小さいとき酸性、7よりも大きいとき塩基性である。

== 代表的な酸・塩基 ==
* 酸
** 強酸 - [[塩酸]]・[[硝酸]]・[[過塩素酸]]・[[硫酸]]など
** 弱酸 - [[酢酸]]・[[ギ酸]]・[[炭酸]]・（[[リン酸]]）など

* 塩基
** 強塩基 - [[水酸化ナトリウム]]・[[水酸化カリウム]]・[[水酸化カルシウム]]・[[水酸化バリウム]]など
** 弱塩基 - [[アンモニア]]など

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}

=== 注釈 ===
{{Reflist|group=注釈}}

=== 出典 ===
{{Reflist}}

== 文献 ==

=== 引用文献 ===
* [田中71] {{Cite book |ref=田中71 |author=田中元治 |title=酸と塩基 |series=基礎化学選書8 |year=1971 |publisher=裳華房|和書 |pages=6-7}}
* [F67]{{Cite book|ref=F67|author=H・Freiser、Q・Fernando|title=イオン平衡―分析化学における|date=1967/8|publisher=化学同人|translator=藤永太一郎、関戸栄一}}
* [MF1] {{Cite book|和書|ref=MF1|author=J. McMurry、R. C. Fay|title=マクマリー 一般化学（上）|date=2010/11/24|year=|publisher=[[東京化学同人]]|ISBN=9784807907427|chapter=7章「水溶液内の反応」|translator=荻野博、 山本学、大野公一}}
* [MF2] {{Cite book|和書|ref=MF2|author=J. McMurry、R. C. Fay|title=マクマリー 一般化学（下）|date=2011/02/23|year=|publisher=[[東京化学同人]]|ISBN=9784807907434|chapter=13章「水溶液内平衡　酸と塩基」|translator=荻野博、 山本学、大野公一}}

=== その他 ===
* ジョン・マクマリー 『マクマリー 有機化学 第4版（上）』 伊東・児玉他訳、[[東京化学同人]]、1998年、ISBN 4-8079-0536-8。

== 関連項目 ==
* [[指示薬の一覧#pH指示薬|指示薬の一覧]]
* [[酸性雨]]
* [[酸性食品とアルカリ性食品]]
* [[アシドーシスとアルカローシス]]

{{DEFAULTSORT:さんとえんき}}
[[Category:溶液化学]]
[[Category:酸塩基化学|*]]
[[Category:イオン]]
[[Category:酸]]
[[Category:塩基]]
[[Category:アントワーヌ・ラヴォアジエ]]
[[Category:スヴァンテ・アレニウス]]
[[Category:ハンフリー・デービー]]