【高2化学】酸・塩基の定義 アレニウスとブレンステッドの違い

酸と塩基の定義

化学において、酸と塩基の概念は非常に重要です。私たちの身の回りにある様々な物質（レモン汁、石鹸、洗剤など）は酸性や塩基性を示し、それぞれの性質を理解することは、化学反応を深く学ぶ上で不可欠です。

酸と塩基の定義は、時代とともにその適用範囲が広がり、現在ではいくつかの異なる定義が存在します。ここでは、高校化学基礎で学ぶ「アレニウスの定義」と「ブレンステッド・ローリーの定義」に焦点を当て、その違いとそれぞれの特徴を解説します。

1. アレニウスの定義

1884年にスウェーデンの化学者アレニウスが提唱した、最も基本的な酸と塩基の定義です。

概念

• 酸: 水に溶かしたときに、水素イオン（プロトン、H$^+$）を生じる物質。
• 塩基: 水に溶かしたときに、水酸化物イオン（OH$^-$）を生じる物質。

具体例

• 酸: 塩化水素（HCl）を水に溶かすと、次のように電離して水素イオンを生じます。

$$ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- $$

したがって、HClはアレニウスの酸です。

• 塩基: 水酸化ナトリウム（NaOH）を水に溶かすと、次のように電離して水酸化物イオンを生じます。

$$ \text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- $$

したがって、NaOHはアレニウスの塩基です。

限界

アレニウスの定義は、水溶液中での反応を説明するのに非常に有効ですが、以下の点で限界があります。

• 水溶液中でしか適用できない: 水以外の溶媒中での酸・塩基の反応を説明できません。
• 水酸化物イオンを含まない塩基を説明できない: 例えば、アンモニア（NH$_3$）は水に溶かすと塩基性を示しますが、分子中にOH$^-$を含みません。アレニウスの定義では、NH$_3$が塩基であることを直接説明できません。

2. ブレンステッド・ローリーの定義

1923年にデンマークの化学者ブレンステッドとイギリスの化学者ローリーがそれぞれ独立に提唱した、より広範な酸と塩基の定義です。これは、プロトン（H$^+$）の授受に着目した定義です。

概念

• 酸: 相手にプロトン（H$^+$）を与える物質（プロトン供与体）。
• 塩基: 相手からプロトン（H$^+$）を受け取る物質（プロトン受容体）。

具体例

• 塩化水素（HCl）と水（H$_2$O）の反応:

$$ \text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \\rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- $$

この反応では、HClがH$^+$をH$_2$Oに与えているので、HClは酸です。H$_2$OはH$^+$を受け取っているので、H$_2$Oは塩基です。

• アンモニア（NH$_3$）と水（H$_2$O）の反応:

$$ \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \\rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- $$

この反応では、H$_2$OがH$^+$をNH$_3$に与えているので、H$_2$Oは酸です。NH$_3$はH$^+$を受け取っているので、NH$_3$は塩基です。

共役酸塩基対

ブレンステッド・ローリーの定義では、酸がプロトンを放出した後に残る化学種は塩基として振る舞うことができ、塩基がプロトンを受け取った後にできる化学種は酸として振る舞うことができます。このように、プロトン1個の授受によって互いに変換できる酸と塩基のペアを「共役酸塩基対」と呼びます。

• HCl + H$_2$O $\rightleftharpoons$ H$_3$O$^+$ + Cl$^-$

* HCl (酸) と Cl$^-$ (共役塩基) のペア

* H$_2$O (塩基) と H$_3$O$^+$ (共役酸) のペア

• NH$_3$ + H$_2$O $\rightleftharpoons$ NH$_4$$^+$ + OH$^-$

* NH$_3$ (塩基) と NH$_4$$^+$ (共役酸) のペア

* H$_2$O (酸) と OH$^-$ (共役塩基) のペア

利点

• 適用範囲が広い: 水溶液以外の反応や、気相中の反応など、より多くの酸・塩基の反応を説明できます。
• アンモニアのような物質も説明できる: アンモニアがプロトンを受け取ることで塩基として働くことを明確に説明できます。

3. アレニウスの定義とブレンステッド・ローリーの定義の違いのまとめ

定義の種類	酸の定義	塩基の定義	適用範囲
アレニウスの定義	水に溶けてH$^+$を生じる物質	水に溶けてOH$^-$を生じる物質	水溶液中のみ
ブレンステッド・ローリーの定義	プロトン（H$^+$）を与える物質（プロトン供与体）	プロトン（H$^+$）を受け取る物質（プロトン受容体）	水溶液以外も含む、より広範な反応

ブレンステッド・ローリーの定義は、アレニウスの定義を包含する、より一般的な概念と考えることができます。アレニウスの酸と塩基は、いずれもブレンステッド・ローリーの定義における酸と塩基に該当します。

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確認問題

以下の問いに答えましょう。

問題1

アレニウスの酸・塩基の定義に関する記述として、最も適切なものを次の①〜④から選びなさい。

① 酸はプロトン（H$^+$）を受け取る物質、塩基はプロトン（H$^+$）を与える物質である。

② 酸は電子対を受け取る物質、塩基は電子対を与える物質である。

③ 酸は水に溶かして水素イオン（H$^+$）を生じる物質、塩基は水に溶かして水酸化物イオン（OH$^-$）を生じる物質である。

④ 酸は水酸化物イオン（OH$^-$）を生じる物質、塩基は水素イオン（H$^+$）を生じる物質である。

正解: ③

解説:

アレニウスの定義は、水溶液中での挙動に限定されます。

• 酸: 水に溶けてH$^+$を生じる物質。
• 塩基: 水に溶けてOH$^-$を生じる物質。

①はブレンステッド・ローリーの定義の逆の記述です。

②はルイスの定義に関する記述であり、高校化学基礎の範囲外です。

④は酸と塩基の定義が逆になっています。

したがって、③が最も適切な記述です。

問題2

ブレンステッド・ローリーの酸・塩基の定義に関する記述として、最も適切なものを次の①〜④から選びなさい。

① 酸は水に溶かして水素イオン（H$^+$）を生じる物質、塩基は水に溶かして水酸化物イオン（OH$^-$）を生じる物質である。

② 酸はプロトン（H$^+$）を与える物質、塩基はプロトン（H$^+$）を受け取る物質である。

③ 酸は電子対を受け取る物質、塩基は電子対を与える物質である。

④ 酸はプロトン（H$^+$）を受け取る物質、塩基はプロトン（H$^+$）を与える物質である。

正解: ②

解説:

ブレンステッド・ローリーの定義は、プロトンの授受に着目します。

• 酸: プロトン（H$^+$）を与える物質（プロトン供与体）。
• 塩基: プロトン（H$^+$）を受け取る物質（プロトン受容体）。

①はアレニウスの定義です。

③はルイスの定義に関する記述です。

④は酸と塩基の定義が逆になっています。

したがって、②が最も適切な記述です。

問題3

次の反応式において、下線部の物質がそれぞれ酸または塩基としてどのように分類され、またその共役酸または共役塩基はどれに当たるか、最も適切な組み合わせを次の①〜④から選びなさい。

$$ \underline{\text{H}_2\text{SO}_4} + \underline{\text{H}_2\text{O}} \\rightleftharpoons \text{HSO}_4^- + \text{H}_3\text{O}^+ $$

① H$_2$SO$_4$: 酸、共役塩基はH$_3$O$^+$。 H$_2$O: 塩基、共役酸はHSO$_4^-$.

② H$_2$SO$_4$: 塩基、共役酸はH$_3$O$^+$。 H$_2$O: 酸、共役塩基はHSO$_4^-$.

③ H$_2$SO$_4$: 酸、共役塩基はHSO$_4^-$. H$_2$O: 塩基、共役酸はH$_3$O$^+$.

④ H$_2$SO$_4$: 塩基、共役酸はHSO$_4^-$. H$_2$O: 酸、共役塩基はH$_3$O$^+$.

正解: ③

解説:

反応式を詳しく見てみましょう。

$$ \text{H}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O} \\rightleftharpoons \text{HSO}_4^- + \text{H}_3\text{O}^+ $$

• H$_2$SO$_4$ はH$_2$Oにプロトン（H$^+$）を与えてHSO$_4^-$になっています。したがって、H$_2$SO$_4$は酸です。

* H$_2$SO$_4$がプロトンを放出した後のHSO$_4^-$は、プロトンを受け取ることができるので、H$_2$SO$_4$の共役塩基はHSO$_4^-$です。

• H$_2$O はH$_2$SO$_4$からプロトン（H$^+$）を受け取ってH$_3$O$^+$になっています。したがって、H$_2$Oは塩基です。

* H$_2$Oがプロトンを受け取った後のH$_3$O$^+$は、プロトンを放出することができるので、H$_2$Oの共役酸はH$_3$O$^+$です。

この関係性を踏まえると、③が正しい組み合わせとなります。

共役酸塩基対: (H$_2$SO$_4$, HSO$_4^-$) と (H$_2$O, H$_3$O$^+$)