NHK高校講座

福　「酢って、酸だよね。」

美樹　「そうだね。お酢には酢酸が含まれている。酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨの、うしろについているＨが、電離して水素イオン・Ｈ^＋になるんだ。」

福　「アレニウスの定義だよね。『酸とは、水に溶けて水素イオン・Ｈ^＋を生じる物質』というやつ。」

美樹　「福くん、復習バッチリだね！ この水素イオン・Ｈ^＋こそが酸の正体！」

福　「でも、ちょっと不思議に思っていたことがあるんだけど、同じ酸でも、お酢は普通に食べ物に使っているでしょ。でも、塩酸は間違って口にしちゃったら大変なことになる。なんでだろう？」

美樹　「濃度の問題もあるんだけど、そもそも塩酸・ＨＣｌは強い酸、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨは弱い酸なんだよ。」

福　「強い酸と弱い酸？」

塩酸・ＨＣｌが強い酸で、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨが弱い酸って、どういうことなんだろう？
前回学んだ、酸に共通する性質「マグネシウム・Ｍｇ、亜鉛・Ｚｎなどの金属と反応して、水素・Ｈ_２を発生する」で調べてみよう。

２つの試験管には、塩酸（塩化水素水溶液）・ＨＣｌと、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨが入っている。
濃度はどちらも １ ｍｏｌ／Lだ。
同じ質量のマグネシウム・Mｇを同時に入れると、
塩酸・ＨＣｌの方は激しく反応して、気体がさかんに発生する。
一方、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨの方は、反応がおだやかだ。

しばらく観察を続けると（約2分後）
塩酸・ＨＣｌの方はマグネシウム・Ｍｇがすべて反応してしまったが、
酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨの方は（マグネシウムが）まだ残っている。

反応に差があるのは、酸の正体である水素イオン・Ｈ^＋の濃度が違うからなんだ。
でも実験で使った、塩酸・ＨＣｌと、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨのモル濃度は同じだった。
では、どうしてこんな違いがあるのか、謎解きにチャレンジしてみよう。

福　「塩酸・ＨＣｌと酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨは、どちらともマグネシウム・Ｍｇと反応して、水素・Ｈ_２が発生していた。これはこの間学んだ、酸に共通する性質だったよね。
でも、反応の仕方はずいぶん違っていた。
塩酸・ＨＣｌは、水に溶けて、塩化物イオン・Ｃｌ⁻と水素イオン・Ｈ^＋に電離する。
酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨは、水に溶けて、酢酸イオン・ＣＨ_３ＣＯＯ⁻と水素イオン・Ｈ^＋に電離する。
モル濃度が同じってことは、粒子の数も同じはずだから、酸の正体である水素イオン・Ｈ^＋の数も同じになるはずだよね？」

美樹　「では、電離を反応式で考えてみようか。」

福　「ＨＣｌが、Ｈ^＋とＣｌ⁻に電離する。ＣＨ_３ＣＯＯＨは、Ｈ^＋とＣＨ_３ＣＯＯ⁻（に電離する）。同じことだよね。水素イオン・Ｈ^＋が1つ出て…あれ？ （２つの化学式の）矢印が違うのはどうして？」

美樹　「福くん、いいところに気が付いたね！ 両向きの矢印は、条件によって反応がどちら向きにも進む状態を示しているんだ。」

福　「ということは、塩酸・ＨＣｌは一方向の矢印だから、すべての分子は電離したまま。
酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨは両向きの矢印だから、電離することも、分子に戻ることもあるってこと？ すると、水溶液中の水素イオン・Ｈ^＋の数は、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨよりも、塩酸・ＨＣｌの方が多くなるってことか！」

美樹　「福くんお見事！ 酢酸の方は結果的に“反応が一部だけ進んだ”ということになる。
塩酸・ＨＣｌのように、水溶液中でほぼすべてが電離している酸を『強酸』。
酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨのように、水溶液中で一部しか電離していない酸を『弱酸』というんだ。」

福　「すべて電離するのが『強酸』、一部しか電離しないのが『弱酸』ということか。もしかして、塩基も同じ？」

美樹　「その通り！
水酸化ナトリウム・ＮａＯＨのように、ほぼ完全に電離する塩基を『強塩基』。
アンモニア・ＮＨ_３のように、一部しか電離しない塩基を『弱塩基』というんだ。」

酸と塩基の“強弱”は、他にも水溶液の性質に違いをもたらしているんだ。
塩酸・ＨＣｌ（強酸）と、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨ（弱酸）で、電気伝導性を比べてみよう。
電極に電気を通す物質が触れると、明かりがつく装置を使用する。

０.１ ｍｏｌ／Lの塩酸・ＨＣｌに電極をつけると、電球が明るく光った。

電極を純水でよく洗ってから、
塩酸と同じ濃度（０.１ ｍｏｌ／L） の酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨに電極をつけると、明かりはついたが、塩酸と比べるとずいぶん暗い。
２つの水溶液には、どんな違いがあるのだろう。

塩酸・ＨＣｌは、ほぼすべてが電離しているので、電気を運ぶイオンが水溶液中にたくさん存在している。
それに対して、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨは、一部しか電離しないので、電気を運ぶイオンが少ししか存在しないんだ。

福　「強酸には、塩酸・ＨＣｌのほかに、硝酸・ＮＨＯ_３や硫酸・Ｈ_２ＳＯ_４。
弱酸には、酢酸・ＣＨ_３ＣＯＯＨのほかに、炭酸・Ｈ_２ＣＯ_３や、クエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７もあるんだね。
塩基は、“水酸化〇〇”というものが多いね。
でも、こうやって３つの段に区切られているのには何か意味があるの？」

美樹　「それは…」

福　「分かった！ 酸だとＨ、塩基だとＯＨの数で区切られているんだ。１段目は１個で、２段目は２個…あれ？ でも、強酸の塩酸・ＨＣｌはＨが１つなのに、弱酸の炭酸・Ｈ_２ＣＯ_３はＨが２つある。炭酸・Ｈ_２ＣＯ_３の方が水素イオン・Ｈ^＋の数が多くって、より強い酸ってことになったりしない？」

（化学基礎・監修講師）吉田先生　「 福くん、そう思ってしまうよね。炭酸・Ｈ_２ＣＯ_３は、１分子中のＨの数が多いから、（酸が）強いと思うよね。でも、酸や塩基の強弱を決めるのは、“１分子中のＨやＯＨの数”ではなく、“水溶液中のＨ^＋やＯＨ⁻の濃度”なんだ。
“水に溶けた分子やイオンなどが電離してＨ^＋やＯＨ⁻をどれくらい出すか”＝『電離度』で酸・塩基の強弱が決まるんだったよね。
塩酸・ＨＣｌと炭酸・Ｈ_２ＣＯ_３の『電離度』には、２桁以上の開きがある。炭酸・Ｈ_２ＣＯ_３には１分子中に塩酸・ＨＣｌの２倍のＨがあるけれど、そのほとんどはＨ^＋になっていない（電離しない）から、弱酸なんだ。
１分子が出すことができるＨ^＋やＯＨ⁻の数を『価数』というんだ。
『価数』は“１分子が出すことができる”ということであって、“（電離して）水溶液中に存在する”こととは違う。
『酸・塩基の価数』と『酸・塩基の強弱』は、違う分類方法なんだよ。」

福　「酢酸・ＣＯ_３ＣＯＯＨが電離すると、水素イオン・Ｈ^＋１個と酢酸イオン・ＣＨ_３ＣＯＯ⁻１個を生じる。酢酸イオン・ＣＨ_３ＣＯＯ⁻にもＨが含まれるけど、これは電離しないんだよね。だから、出すことのできる水素イオン・Ｈ^＋は１個だから、塩酸・ＨＣｌと同じ『１価の酸』だ。」

美樹　「そう。では、硫酸・Ｈ_２ＳＯ_４はどうかな？」

福　「硫酸・Ｈ_２ＳＯ_４は電離すると、水素イオン・Ｈ^＋２個と硫酸イオン・ＳＯ_４^２−１個を生じる。出すことのできる水素イオン・Ｈ^＋は２個だから『２価の酸』だね。」

価数の違いを、実験で確かめてみよう。
用意したのは、１価の塩酸・ＨＣｌ、２価の硫酸・Ｈ_２ＳＯ_４、３価のクエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７だ。
ただし、濃度（０.１ ｍｏｌ／Ｌ）と体積は３つとも同じ。
まず、３つのビーカーにフェノールフタレイン溶液を加える。
フェノールフタレイン溶液は、酸性には反応しないから無色のままだ。

ここに、３種類の酸と同じ濃度（０.１ ｍｏｌ／Ｌ）で、少しだけ量の多い水酸化ナトリウム水溶液・ＮａＯＨ（１価の塩基）を加えていくと、
塩酸・ＨＣｌのビーカーだけ、溶液の色が赤色になった。

濃度と体積が同じだったら、１価の酸である塩酸・ＨＣｌが出すことのできる水素イオン・Ｈ^＋の数は、１価の塩基である水酸化ナトリウム・ＮａＯＨが出すことのできる水酸化物イオン・ＯＨ⁻の数と釣り合って打ち消し合う。
この実験では、水酸化ナトリウム・ＮａＯＨの量を少しだけ多くしたので、水酸化物イオン・ＯＨ⁻の数が多くなって水溶液が塩基性になり、フェノールフタレイン溶液が赤色に変わったんだ。

続いて、無色のままの硫酸・Ｈ_２ＳＯ_４と、クエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７に、先ほどと同じ量の水酸化ナトリウム水溶液・ＮａＯＨを加える。
今度は、硫酸・Ｈ_２ＳＯ_４（のビーカーの溶液）が赤色になった。

クエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７のビーカーに、もう一度 水酸化ナトリウム水溶液・ＮａＯＨを加えると、（クエン酸のビーカーの溶液も）赤色になった。

この実験から、出すことのできる水素イオン・Ｈ^＋の数は、
硫酸・Ｈ_２ＳＯ_４が、塩酸・ＨＣｌの２倍
クエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７は、塩酸・ＨＣｌの３倍、だということが分かった。

価数は、クエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７（３価）の方が、塩酸・ＨＣｌ（１価）より多い。
だけど、酸の強弱では、塩酸・ＨＣｌが”強酸”、クエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７が”弱酸”だ。

今度は、塩酸・ＨＣｌと、クエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７の電気伝導性を比べてみよう。
塩酸・ＨＣｌが明るく光るのは、先ほども見た通り。
クエン酸・Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７は、あまり明るくは光らない。クエン酸は電離度が小さいので、電気を運ぶイオンの数は少ない。
つまり、酸の価数は、酸の強弱とは関係がないということが分かったかな。

美樹　「そう。塩基の価数は、“アレニウスの定義”によれば『出すことのできる水酸化物イオン・ＯＨ⁻の数』ということになるし、“ブレンステッドとローリーの定義”によれば『受け取ることのできる水素イオン・Ｈ^＋の数』ということになるんだ。」

福　「“ブレンステッドとローリーの定義”は、水溶液中に限定しなくても対応できる定義だったよね。」

美樹　「おっ！ちゃんと復習できているね。」

吉田先生　「これから、酸と塩基について学んでいく時に、酸と塩基の価数や強弱を使うことになるんだ。この先の学習で混乱しないように、しっかりと整理していこうね。」

福　「酸と塩基の“強弱” は、電離度、つまり水溶液中でどれだけ電離しているかで決まる。
酸と塩基の“価数” は、水素イオン・Ｈ^＋や水酸化物イオン・ＯＨ⁻をいくつ出すことができるかどうか。
価数が多くても電離度が小さければ弱酸だし、価数が小さくても電離度がほぼ１なら強酸。
“強弱”と“価数”は、別の分類方法。よし！ちゃんと覚えたぞ。」


それでは、次回もお楽しみに！