「中和(ちゅうわ)」という言葉は、「混ぜ合わせる」みたいな意味で普通に使われているが、実は化学用語でいう「中和」には、厳密な定義があるんだぜ。じゃあ、どんな反応を指すのか知っているか?中和と聞くと、一部の人は塩ができる反応だと思うでしょうな。

今日は「中和」の定義について、未来の科学者ライターHaruと一緒に解説していきます。

ライター/Haru

国際化学グランプリに挑戦した経験もある、実験が大好きな学生ライター。子どもの頃、元素周期表をポケモンと一緒に覚えてから、物質を見ると化学式が一緒に見えてくる生活を送っている。アインシュタインとニュートンを尊敬しており、彼らの偉業や化学の面白さについての知識を、分かりやすく提供していきたい。将来は研究員になって実験を生業とするのが夢。

「中和」の定義とは?

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化学でいう「中和」とは、どのような反応を指すのか一緒に学習していきましょう。

中和と聞くと、酸性と塩基性の水溶液が反応して塩ができる反応だと思っている人が多いと思います。しかし、「中和」の本質は、酸と塩基の反応の過程で水素イオンと水酸化物イオンが結合して、水が生成されるところにあるのをご存知でしたか?

実は、塩はただの中和反応の副生成物に過ぎないのです。塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の中和を例に説明しましょう。この反応は以下の式で表すことができます。

中和反応の化学式

中和反応の化学式

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酸と塩基の反応によって水と副生成物である塩が生成される、それが中和反応です。

酸・塩基とは

酸と塩基の定義はいくつかあります。そのうち特にメジャーなものは、「アレニウスの定義」、「ブレンステッド・ローリーの定義」の2つでしょう。
この2つについて辞典で知らべてみました。

「アレニウスの定義」とは
1884年に酸と塩基の定義を提唱したアレニウスは、水溶液において水素イオンを発生するのが酸で、水酸化物イオンを発生させるのが塩基だとした。

「ブレンステッド・ローリーの定義」とは
アレニウスの定義において中心的な役割を果たしているH+、すなわちプロトン(陽子)をベースとして、酸と塩基の概念を以下のように再定義した。

酸:プロトンH+を他の物質に渡すことができる物質
塩基:プロトンH+を他の物質から受け取ることができる物質

\次のページで「電離とは」を解説!/

電離とは

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酸や塩基を水に溶かすと電離という現象が起きます。これは、水に溶かした酸、塩基の物質がイオンに分解される現象のことです。

例えば、塩酸を例にとってみると、水に溶かした塩化水素のほとんどは分子では存在していません。塩化水素は水中で塩化物イオンと水素イオンに分かれて、イオンの形で存在しているのです。このように電離して生成されたイオンのうち、水素イオンや水酸化物イオンのはたらきによって水溶液が酸性や塩基性を示します。

電離度とは

電離度とは、酸や塩基が水に溶けた場合に、その溶質が電離する割合の数値のことを指し、これは溶かす溶質の種類によって異なります。

例として、塩酸と酢酸を比べてみましょう。塩酸は、水に溶かした塩化水素のほとんどが電離します。よって、塩酸の電離度はほぼ1(=100%)に近い値を取るのです。

一方、酢酸の場合は入れただけ全ての酢酸分子が電離するわけではなく、そのうちの1%ほどしか電離しません。したがって、酢酸の電離度はおよそ0.01となるのです。

先ほど例に挙げた通り、塩酸は電離度がほとんど1である水溶液です。このように電離度が1に近い酸を強酸と呼び、塩酸の他にも、硫酸や硝酸などが例に挙げられます。
逆に、酢酸は電離度が0.01と、とても低い値になっているのです。このように電離度が低い酸を弱酸と呼びます。

酢酸の他には、シュウ酸、リン酸などが例に挙げられますね。塩基においても、強塩基、弱塩基という分類があり、酸と同じく溶質の電離度によって分類されています。

この電離度には、構成元素の電気陰性度なども関係しているのです。

水素イオン指数とは

水素イオン指数とは

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また酸性の水溶液とアルカリ性の水溶液には、それぞれ㏗と言う値が存在します。

これは別名「水素イオン指数」と呼ばれていて、水素イオンがどれだけ溶けているかというものを、対数を用いる方法で表現されたものです。

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これが小さければ小さいほど「酸性」で、大きければ大きいほど「アルカリ性」だということができます。

pHの値がちょうど「7」の時、水溶液は中性を示しているということができることを覚えておきましょう。このpHを測定するためには、「pH試験紙」や「pHメーター」またほかの指示薬が使われます。

指示薬の中には酸性を検出することができる「メチルオレンジ」や、アルカリ性を検出することができる「フェノールフタレイン」などもありますね。また身近なものだと、紫キャベツ等に含まれる「アントシアン」という色素は、pHの変化によって細かく変色する性質を持っているのをご存知でしたか?こうした指示薬と中和の性質を用いて、濃度の分からない酸や塩基の濃度を測定する「中和滴定」という操作も存在することも、付け加えておきましょう。

この酸と塩基には、もう一つの水溶液を比べる指標があり、それは「価数」というものです。価数とは、1モルの酸や塩基が放出することのできる水素イオン、水酸化物イオンの最大のモル数のことになります。

例えば塩酸の場合、1モルの塩酸から水素イオンと塩化物イオンがそれぞれ1モルずつ生成されるので、塩酸の価数は1となるのですが、この反応を表す式は以下の通りです。

HCl → H⁺ + Cl⁻

よって、塩酸は1価の酸になると分かりますね。

一方、硫酸について考えてみると、硫酸は2段階の電離をするので、価数は、2段階の合計で2となり、反応式で表すと、

H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄⁻

HSO₄⁻ → H⁺ + SO₄²⁻

と表せます。したがって、硫酸は2価の酸となるのです。

塩基に関しても考え方は同様で、水酸化ナトリウムを例に挙げると、水酸化ナトリウムは次の式の様に電離します。

NaOH → Na⁺ + OH⁻

水酸化ナトリウム1モルあたり1モルの水酸化物イオンを放出しているので、水酸化ナトリウムは1価の塩基になりますね。

一方で、石灰水に溶けている水酸化カルシウムは、以下の式の様に電離。

Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻

水酸化カルシウム1モルあたり、2モルの水酸化物イオンが放出されているので、水酸化カルシウムは2価の塩基であるということができます。

塩酸とアンモニアの反応による白煙(ビーカーの中には塩酸、試験管の中にはアンモニア)

Hydrochloric acid ammonia.jpg
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これらの沈殿が中和反応によって副生成物として生成されると、水溶液は白く濁りますが、これは、石灰水に二酸化炭素を通すと白く濁るという現象の原理でもあります。また、特殊な例を上げると、アンモニアの入ったフラスコに塩酸のついたガラス棒を近づけると、塩化アンモニウムが生成されて白煙が生じるというような反応も存在するのです。

中和反応において量的関係を考えるのであれば、酸や塩基の強弱は関係ありません。それは、中和反応では水素イオン、水酸化物イオンがともに消費されていくので、溶液の強弱に関係なく、イオンが最大で放出されるためだといえます。

中和反応の結果に関係してくるのは、溶液に含まれている水素イオンや水酸化物イオンの濃度です。例えば、水溶液中で放出される水素イオンの濃度が高ければ、結果的に酸性を示してしまうし、水酸化物イオンが濃度が高ければ、アルカリ性を示してしまいます。この、水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度が、ぴったり同じの時、完全に中和されたということができるのです。

「中和」についての学習を振り返って

中和について大事なポイントをまとめます。

その1 中和の本質は水が生成されること
その2 酸や塩基のイオン濃度が中和に関係している

この記事によって、中和について新たな視点が広がれば幸いです。

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化学物質の状態・構成・変化理科

「中和」の定義とは?中和すると起こる様々な反応とともに未来の科学者ライターがわかりやすく解説!

電離とは

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酸や塩基を水に溶かすと電離という現象が起きます。これは、水に溶かした酸、塩基の物質がイオンに分解される現象のことです。

例えば、塩酸を例にとってみると、水に溶かした塩化水素のほとんどは分子では存在していません。塩化水素は水中で塩化物イオンと水素イオンに分かれて、イオンの形で存在しているのです。このように電離して生成されたイオンのうち、水素イオンや水酸化物イオンのはたらきによって水溶液が酸性や塩基性を示します。

電離度とは

電離度とは、酸や塩基が水に溶けた場合に、その溶質が電離する割合の数値のことを指し、これは溶かす溶質の種類によって異なります。

例として、塩酸と酢酸を比べてみましょう。塩酸は、水に溶かした塩化水素のほとんどが電離します。よって、塩酸の電離度はほぼ1(=100%)に近い値を取るのです。

一方、酢酸の場合は入れただけ全ての酢酸分子が電離するわけではなく、そのうちの1%ほどしか電離しません。したがって、酢酸の電離度はおよそ0.01となるのです。

先ほど例に挙げた通り、塩酸は電離度がほとんど1である水溶液です。このように電離度が1に近い酸を強酸と呼び、塩酸の他にも、硫酸や硝酸などが例に挙げられます。
逆に、酢酸は電離度が0.01と、とても低い値になっているのです。このように電離度が低い酸を弱酸と呼びます。

酢酸の他には、シュウ酸、リン酸などが例に挙げられますね。塩基においても、強塩基、弱塩基という分類があり、酸と同じく溶質の電離度によって分類されています。

この電離度には、構成元素の電気陰性度なども関係しているのです。

水素イオン指数とは

水素イオン指数とは

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また酸性の水溶液とアルカリ性の水溶液には、それぞれ㏗と言う値が存在します。

これは別名「水素イオン指数」と呼ばれていて、水素イオンがどれだけ溶けているかというものを、対数を用いる方法で表現されたものです。

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これが小さければ小さいほど「酸性」で、大きければ大きいほど「アルカリ性」だということができます。

pHの値がちょうど「7」の時、水溶液は中性を示しているということができることを覚えておきましょう。このpHを測定するためには、「pH試験紙」や「pHメーター」またほかの指示薬が使われます。

指示薬の中には酸性を検出することができる「メチルオレンジ」や、アルカリ性を検出することができる「フェノールフタレイン」などもありますね。また身近なものだと、紫キャベツ等に含まれる「アントシアン」という色素は、pHの変化によって細かく変色する性質を持っているのをご存知でしたか?こうした指示薬と中和の性質を用いて、濃度の分からない酸や塩基の濃度を測定する「中和滴定」という操作も存在することも、付け加えておきましょう。

この酸と塩基には、もう一つの水溶液を比べる指標があり、それは「価数」というものです。価数とは、1モルの酸や塩基が放出することのできる水素イオン、水酸化物イオンの最大のモル数のことになります。

例えば塩酸の場合、1モルの塩酸から水素イオンと塩化物イオンがそれぞれ1モルずつ生成されるので、塩酸の価数は1となるのですが、この反応を表す式は以下の通りです。

HCl → H⁺ + Cl⁻

よって、塩酸は1価の酸になると分かりますね。

一方、硫酸について考えてみると、硫酸は2段階の電離をするので、価数は、2段階の合計で2となり、反応式で表すと、

H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄⁻

HSO₄⁻ → H⁺ + SO₄²⁻

と表せます。したがって、硫酸は2価の酸となるのです。

塩基に関しても考え方は同様で、水酸化ナトリウムを例に挙げると、水酸化ナトリウムは次の式の様に電離します。

NaOH → Na⁺ + OH⁻

水酸化ナトリウム1モルあたり1モルの水酸化物イオンを放出しているので、水酸化ナトリウムは1価の塩基になりますね。

一方で、石灰水に溶けている水酸化カルシウムは、以下の式の様に電離。

Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻

水酸化カルシウム1モルあたり、2モルの水酸化物イオンが放出されているので、水酸化カルシウムは2価の塩基であるということができます。

塩酸とアンモニアの反応による白煙(ビーカーの中には塩酸、試験管の中にはアンモニア)

Hydrochloric acid ammonia.jpg
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これらの沈殿が中和反応によって副生成物として生成されると、水溶液は白く濁りますが、これは、石灰水に二酸化炭素を通すと白く濁るという現象の原理でもあります。また、特殊な例を上げると、アンモニアの入ったフラスコに塩酸のついたガラス棒を近づけると、塩化アンモニウムが生成されて白煙が生じるというような反応も存在するのです。

中和反応において量的関係を考えるのであれば、酸や塩基の強弱は関係ありません。それは、中和反応では水素イオン、水酸化物イオンがともに消費されていくので、溶液の強弱に関係なく、イオンが最大で放出されるためだといえます。

中和反応の結果に関係してくるのは、溶液に含まれている水素イオンや水酸化物イオンの濃度です。例えば、水溶液中で放出される水素イオンの濃度が高ければ、結果的に酸性を示してしまうし、水酸化物イオンが濃度が高ければ、アルカリ性を示してしまいます。この、水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度が、ぴったり同じの時、完全に中和されたということができるのです。

「中和」についての学習を振り返って

中和について大事なポイントをまとめます。

その1 中和の本質は水が生成されること
その2 酸や塩基のイオン濃度が中和に関係している

この記事によって、中和について新たな視点が広がれば幸いです。

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