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酸と塩基(さん と えんき)は、最も基本的な物質の分類の1つ。酸と塩基の定義は時代と共に拡張されており、現代では3つの定義が一般的に用いられている。

酸と塩基を混合すると酸塩基反応が進行する。最も基本的な酸塩基反応は中和反応で、双方の性質を打ち消しあうとともに水と「塩」(えん)が生成する。酸塩基反応の際に授受できる水素イオンの数をその酸・塩基の価数と呼ぶ。

酸・塩基の強さを測る指標としては、規定度・水素イオン指数(pH) ・酸解離定数 (pKa) ・酸度関数 (H₀) などが使用される。ただし、酸・塩基の強度は物質と状態(濃度や温度、溶媒など)によって変化し、また酸塩基反応においては反応に関わる物質の相対的な強度によってその物質が酸・塩基のどちらの役割を果たすかは異なる。例えば、水は場合によって酸としても塩基としても働く。

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。

◆ 歴史と用語

歴史的には酸の水溶液が示す物性を酸性、灰汁などの水溶液が示す物性をアルカリ性と呼んだ(「アルカリ」は灰を意味するアラビア語に由来する)。

酸性物質とアルカリ性物質とを混合すると、双方の性質を打ち消しあうことが知られており、中和反応と呼ばれる。

塩(えん)が中和反応の生成物であることが判明してくると、「酸と中和反応をして塩を生成する物質群」という物質グループの概念が生まれ、それに対して塩基という呼称が与えられた。これに関連して、塩を形成せず、イオン化していない状態の酸を強調する目的で遊離酸と呼ぶことがある。

酸と塩基の間の反応を、酸塩基反応と呼ぶ。無論、中和反応も酸塩基反応に内包され、マクロなレベルで酸成分と塩基成分を混合する操作に対して使用される場合が多い。

したがって、酸性ないしアルカリ性は水溶液の物性の呼称として用いるのが原義である。塩基性といった場合は、狭義には「酸との相互作用」といった意味であるが、日常ではアルカリ性と塩基性とは混用される場面が多い。

◆ 定義

◇ アレニウスの定義

1884年にアレニウスが提唱した定義では、水 H₂O に溶けてプロトン(正確にはヒドロン, 水素イオン)H⁺ を生じる物質を酸、水酸化物イオン OH⁻ を生じる物質を塩基という。この定義にあてはまる酸をアレニウス酸、塩基をアレニウス塩基と呼ぶ。

酸を HA、塩基を ROH とすると、水溶液中で酸は H⁺ を生じ、塩基は OH⁻ を生じる。

:HA → H⁺ + A⁻

:ROH → R⁺ + OH⁻

具体例として、塩化水素 HCl は H₂O に溶解すると、H⁺ を生じるのでアレニウス酸である。

:HCl → H⁺ + Cl⁻ (正確にはHCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻ だが実質的に H₃O⁺ は H⁺ と同じ。)

水酸化ナトリウム NaOH は H₂O に溶解すると、OH⁻ を生じるのでアレニウス塩基である。

:NaOH → Na⁺ + OH⁻

この定義において、アンモニアは水酸化物イオンを生じないので塩基ではない。

ただし水との反応を考えれば、アレニウス塩基と解釈することも可能である。

:$\backslash mbox\backslash mbox\_+\; \backslash mbox\_\backslash mbox\backslash \; \backslash overrightarrow\backslash longleftarrow\; \backslash \; \backslash mbox\backslash mbox\_^+\; \backslash mbox^$

アレニウス酸とアレニウス塩基を混合すると、塩(えん)及び水を発生する。アレニウス酸・塩基の強度はリトマス紙に代表されるさまざまな指示薬やpHメーターなどによって決定することができる。

◇ ブレンステッド・ローリーの定義

1923年にブレンステッドとローリーが提出した定義では、酸は H⁺ を与える物質であり、塩基は H⁺ を受け取る物質である。この定義にあてはまる酸をブレンステッド酸、塩基をブレンステッド塩基と呼ぶ。すなわち、ブレンステッド酸とはプロトン供与体、ブレンステッド塩基とはプロトン受容体である。水素を持つあらゆる物質に適用可能な定義である。

一般に、酸を HA、塩基を B とすると、次の化学反応式で表される。

: $\backslash begin$

& \rm HA & + & \rm B \ & \overrightarrow\longleftarrow \ & \rm A^- & + & \rm HB^+ \\

& \rm ^ & & \rm ^ & & \rm ^ \ & & \rm ^ \\

\end

ここで、A⁻ は酸 HA の共役塩基 (conjugate base)、HB⁺ は塩基 B の共役酸 (conjugate acid)と呼ばれる。逆反応が起きればそれぞれ塩基・酸として働くからである。

具体例を挙げると、塩化水素 HCl が水 H₂O に溶解すると、HCl は酸としてはたらいて H₂O に H⁺ を与え、H₂O は塩基として働いて H⁺ を受け取る。その結果、塩化水素の共役塩基として塩化物イオン Cl⁻、水の共役酸としてオキソニウムイオン H₃O⁺ が生じる。

: $\backslash begin$

& \rm HCl & + & \rm H_2O \ & \overrightarrow\longleftarrow \ & \rm Cl^- & + & \rm H_3O^+ \\

& \rm ^ & & \rm ^ & & \rm ^ \ & & \rm ^ \\

\end

ブレンステッド・ローリーにおける酸塩基はアレニウスの定義と異なり、相手物質にもよる相対的なものである。例えば、水は、アンモニアに対しては、プロトンを与えるブレンステッド酸として作用するが、塩化水素に対しては、プロトンを受け取るブレンステッド塩基として振る舞う。

: $\backslash begin$

& \rm NH_3 & + & \rm H_2O \ & \overrightarrow\longleftarrow \ & \rm NH_4^+ & + & \rm OH^- \\

& \rm ^ & & \rm ^ & & \rm ^ \ & & \rm ^ \\

\end

◇ ルイスの定義

1923年にルイスが提出した定義では、酸は電子対を受け取るあらゆる物質であり、塩基は電子対を供与するあらゆる物質である。この定義にあてはまる酸をルイス酸、塩基をルイス塩基と呼ぶ。すなわち、ルイス酸とは電子対受容体、ルイス塩基とは電子対供与体である。最も一般的であり、水素を持たない物質についても適用可能な定義である。

・ ルイス酸: リチウムイオンや塩化アルミニウムのように低エネルギーの空軌道をもつ化学種。

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