酸塩基と共役酸・共役塩基について

「酸って？塩基って？学校で習ったけどよくわからない！」 そんな人や化学を学ぶ受験生たちに向けてこの記事を書いています。 化学初心者の方、酸塩基の定義をもう一度確認したい方にこの記事で酸塩基を解説していきます！

酸塩基とは？

一言で表すと酸・塩基とは作用による分類です。

一般的な定義にブレンステッド・ローリーの定義がありますね。

ブレンステッド・ローリーの定義

酸塩基を説明するときによく聞く定義ですね。

• 酸とは水素イオン（H⁺）を与える物質
• 塩基とは水素イオン（H⁺）を受け取る物質

これがブレンステッド・ローリーの定義です。まぁ、これだけだはわからないですよね．．．（実体験）

具体的に反応を見てみよう　 　　

堅苦しい説明だとわからないので例を見てみましょう。

塩酸と水の反応

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^– 　　

ここで、さっきのブレンステッド・ローリーの定義を踏まえて考えましょう! 　　

この式でHClはH₂Oに水素イオンを与えていますね。つまり、HClは酸となります。

アンモニアと水の反応 　　　　

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^–

酸と塩基はどうなるでしょう？塩酸の説明を理解していれば簡単ですね。 　　

H₂OはNH₃に水素イオンを与えてOH^–となっています。つまりH₂Oはここでは酸として作用します。

NH₃は水素イオンを受け取っていますね。つまり塩基として作用します。　　

ここまでの内容をまとめると以下の通りです。

• ブレンステッド・ローリーの定義では酸は水素イオンを与える物質
• 酸・塩基とは物質の作用による分類である
• 水中の反応以外でも使える

共役酸、共役塩基とは

共役酸、共役塩基とは水素イオン持つとき、持たないときの対を言います。 　　

水素イオンがついているときを共役酸、ついていないものを共役塩基と言います。

塩酸の例

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^–

この式を例にすると水素イオンのある、なしで対にすると

• HCl（共役酸）とCl^–（共役塩基） 　　
• H₂O（共役塩基）とH₃O⁺（共役酸） 　　

と分けることができますね。

アンモニアの例

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^–

この式を例にすると水素イオンのある、なしで対にすると

• NH₃（共役塩基）とNH₄⁺（共役酸）　 　　
• H₂O（共役酸）とOH^–（共役塩基） 　　

と分けることができますね。

やさしく解説、pHとは？

pHとはずばり、水溶液の酸性・塩基性を表す指標です！

まずはこちらの反応をご覧ください。

H₂O + H₂O ⇆ H₃O⁺ + OH^–

水溶液中にH₃O⁺が多いと酸性、OH^–が多いと塩基性になります。

水はH⁺のやり取りでH₃O⁺、OH^–になるので純粋な水同士でも上記のような反応が起きます。

このように僅かですが、H₃O⁺とOH^–が生じているのです。

水のイオン積

H₂O + H₂O ⇆ H₃O⁺ + OH^–

この式から水が中性であるとわかるんです！

水のイオン積は「水素イオンのモル濃度×水酸化物イオンのモル濃度」で表されます。

Kw = [H₃O⁺][OH^–] = 10^-14

• Kwは水のイオン積
• [H3O+]と[OH-]はH₃O⁺、OH^–のモル濃度[mol/L]を表します。

式の端に10^-14という不思議な数字がありますね。 　　

これは水のイオン積が10^-14(mol/L)²で一定になることを表します。正確には温度により少しずれますが基本的に10^-14で大丈夫です。　　　　　　　　　　　 　

先ほどの化学反応式より水同士の反応により生じるH₃O⁺、OH^–は同じモル濃度（同じ量）なので[H₃O⁺][OH^–] = 10^-14から 　 　　

[H₃O⁺] = [OH^–] = 10^-7　　　 　　

と計算できますね。

ちなみに[H₃O⁺]はよく[H⁺]と表されます。 　　

[H⁺]はオキソニウムイオンのモル濃度と同じものと考えて大丈夫です。H₂OがH⁺を受け取ったから簡単に[H⁺]と表してるくらいの認識で大丈夫です。

pHの求め方

pHについて説明します！

pHは水溶液の酸性・塩基性を表す指標で、7が中性、7より小さいと酸性、7より大きいと塩基性となります。 　

pHは、pH = -log[H⁺]で計算できます。　

練習として水が中性である理由を計算で求めてみましょう。

水のイオン積から[H₃O⁺] = 10^-7 　　

つまり[H⁺] = 10^-7でしたね。 　　

よって、

pH = -log[H⁺] = -log10^-7 = 7 　　

と求まります。[H⁺]が溶液中に多く含まれるとき溶液は酸性を示しますね。 　　

pHの計算で[H⁺]が10^-1 mol/L(0.1 mol/L)のときを考えてみましょう。 　　 　　

水のイオン積より[H⁺] = 10^-1ならば[OH^–] = 10^-13 moL/Lとなり 　　

水素イオンは多く、水酸化物イオンはかなり少ないですね。 pHは 　　

pH = -log[H⁺] = -log10^-1 = 1

と計算でき、強い酸性であることがわかります。これで具体的な水素イオン濃度がわかれば水溶液が酸性か塩基性かを判断できますね！ 　　

ここまでをまとめると…

• pHとは、水溶液の酸性・塩基性を表す指標 　　　
• pHが7より小さいと酸性、7より大きいと塩基性を示す。 　　　 　　

以上です！最後まで読んでいただきありがとうございました！！