NHK高校講座

化学基礎

Eテレ 毎週 火曜日 午前10:20〜10:40
※この番組は、前年度の再放送です。

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今回の学習

第26回

酸と塩基の強さ

  • 監修・講師:東京都立青山高等学校指導教諭 吉田 工
学習ポイント学習ポイント

酸と塩基の強さ

  • 酸と塩基
  • 強弱

福 「前回(化学基礎「酸と塩基」の回)は、『酸』と『塩基』それぞれに共通する性質について学びました。酸の正体は水素イオン・H、塩基の正体は水酸化物イオン・OH。そして、水素イオン・Hの受け渡しによって、酸と塩基を定義することができるということでした。
今回は、酸と塩基に“強弱”があるというお話です。酸や塩基が、“強い”とか“弱い”とかはどのように決まるのでしょう?」

強い酸と弱い酸
  • 酢
  • 酢酸

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・CHCOOの、うしろについているが、電離して水素イオン・Hになるんだ。」

  • アレニウスの定理
  • Mgと反応

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・CHCOOH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・CHCOOH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を発生する」で調べてみよう。

  • 塩酸と酢酸
  • マグネシウムを入れる

2つの試験管には、塩酸(塩化水素水溶液)・HClと、酢酸・CHCOOH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・CHCOOHの方は、反応がおだやかだ。

  • 塩酸
  • 酢酸

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・CHCOOH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・CHCOOH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。

  • 電離
  • 反応式

福 「塩酸・HClと酢酸・CHCOOHは、どちらともマグネシウム・Mgと反応して、水素・H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・CHCOOHは、水に溶けて、酢酸イオン・CHCOO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。CHCOOHは、HとCHCOO(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。」

  • 分子が戻る
  • 水素イオンの数は

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・CHCOOH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・CHCOOH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・CHCOOH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。」

  • 強酸・弱酸
  • 強塩基・弱塩基

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のように、一部しか電離しない塩基を『弱塩基』
というんだ。」

  • 実験装置
  • 強酸と弱酸の結果

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・CHCOOH(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・CHCOOH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。

  • 水溶液の違い

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・CHCOOH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。

電離度を考えよう!
電離度

福 「塩酸・HClと酢酸・CHCOOHでは、電気伝導性にも ずい分違いがあったんだね。この違いは、すべて電離しているか、一部しか電離していないかによって決まっているんだ。」

美樹 「そう。そして、水溶液中の酸や塩基の電離の程度を『電離度』で表すんだ。
電離度は、『α(アルファ)』という記号で表すことが多い。

電離度α =溶解した酸(塩基)の物質量[mol] 分の 電離した酸(塩基)の物質量[mol]

美樹 「(電離度は)物質量だけではなく、モル濃度で計算しても結果は同じになる。
たとえば、塩酸・HClの場合、溶解した分子が30個だったとすると、そのすべてが電離するので、
(塩酸・HCl)電離度α=30分の30=1
酢酸・CHCOOHの場合は、条件によって電離する割合が変わるんだけど、
たとえば、溶解した30個の分子のうち、1個だけが電離していたとしたら、
(酢酸・CHCOOH)電離度α=30分の1≒0.03 ということになる。」

福 「強酸・強塩基の電離度は、ほぼ1。弱酸・弱塩基の電離度は、1よりもかなり小さい値になるんだね。」

代表的な酸(塩基)の強弱

美樹 「そう。その電離度によって、代表的な酸や塩基の強弱をまとめたものが、この表。」

  • 炭酸の方が強い酸?

福 「強酸には、塩酸・HClのほかに、硝酸・NHOや硫酸・HSO
弱酸には、酢酸・CHCOOHのほかに、炭酸・HCOや、クエン酸・C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・HCOはHが2つある。炭酸・HCO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?」

酸・塩基の強弱と価数
  • 吉田先生

(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・HCO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・HCOの『電離度』には、2桁以上の開きがある。炭酸・HCO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。」

酸と塩基の価数
1価の酸と2価の酸

福 「“電離度”と、“HやOHの数”は、別物なんだね。」

美樹 「そうだね。では改めて『価数』について確認していこう。
ここに、塩酸・HCl、酢酸・COCOOH、硫酸・HSOのモデルがある。
塩酸・HClは電離して、水素イオン・H1個と、塩化物イオン・Cl1個を生じる。(塩酸は)出すことのできる水素イオン・Hは1個なので、『1価の酸』というんだ。
では、酢酸・COCOOHはどうなる?」

  • 酢酸は

福 「酢酸・COCOOHが電離すると、水素イオン・H1個と酢酸イオン・CHCOO1個を生じる。酢酸イオン・CCOOにもが含まれるけど、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・HSOはどうかな?」

福 「硫酸・HSOは電離すると、水素イオン・H2個と硫酸イオン・SO2−1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。」

  • 3種類の酸
  • フェノールフタレイン溶液

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・HSO、3価のクエン酸・C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。

  • 塩酸が赤色に

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。

  • 硫酸が赤色に

続いて、無色のままの硫酸・HSOと、クエン酸・C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・HSO(のビーカーの溶液)が赤色になった。

  • クエン酸も赤色に
  • 水素イオンの比

クエン酸・C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・HSOが、塩酸・HClの2倍
クエン酸・Cは、塩酸・HClの3倍、だということが分かった。

  • 価数と酸の強弱

価数は、クエン酸・C(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が”弱酸”だ。

  • 塩酸の電気伝導性
  • クエン酸の電気伝導性

今度は、塩酸・HClと、クエン酸・C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。

表

美樹 「さっき福くんが気にしていた、この段の区切りは、価数の違いだったんだ。塩酸・HClは1価の強酸、硫酸・HSOは2価の強酸、クエン酸・Cは3価の弱酸なんだ。」

福 「塩基の方も、考え方は同じだね。水酸化ナトリウム・NaOHは1価の強塩基、水酸化カルシウム・Ca(OH)は2価の強塩基、水酸化アルミニウム・Al(OH)は3価の弱塩基だ。」

  • 酸と塩基の定義
  • 福

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!

【第26回 酸と塩基の強さ】3ポイント まとめ
  • 第26回ポイント1
  • 第26回ポイント2
  • 第26回ポイント3

1:強い酸と弱い酸
水溶液中で、ほとんど電離している 酸・塩基を、強酸・強塩基といい、
一部しか電離していない 酸・塩基を、弱酸・弱塩基という。

2:電離度を考えよう!
酸と塩基の強弱は、電離度α=「溶解した酸・塩基の物質量」分の「電離した酸・塩基の物質量」で表す。

3:酸と塩基の価数
1分子が出すことのできる水素イオン・Hや水酸化物イオン・OHの数を「価数」という。

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