|
酸性（acid; acidic）、アルカリ性（alkaline; basic）とは水溶液の性質です。レモンのしぼり汁は酸性ですが、それはレモンに含まれるクエン酸（citric acid）のせいです。詳しい定義はあるのですが、このように水に溶かすと酸性を示すのが酸（acid）であると考えていいでしょう。強い酸は塩酸（HCl;
hydrochloric acid）で、pHは0です。石けん水は弱いアルカリ性ですが、それは脂肪酸のナトリウム塩のせいで、塩基（base）といいます。強いアルカリ性を示すのは苛性ソーダ（水酸化ナトリウム、NaOH;
sodium hydroxide）の水溶液で、pHは14です。水酸化ナトリウムは強い塩基です。このように、酸性と酸、アルカリ性と塩基は違うものですが、関係があります。
主な食品などのpHを次に示します。レモンやオレンジなどの酸っぱいものは酸性です。梅干しはレモンと同じクエン酸が入っていて酸性です。ミルクは中性に近いですが、卵の白身はアルカリ性です。よく間違えるのはアルカリ性食品です。これは食品を燃やした後の灰を水に溶かしたときのpHです。カルシウムやマグネシウムなどの金属を含む食品を燃やすと、金属は灰に含まれます。したがって、灰の水溶液はアルカリ性を示すのです。
 |
|
食品などのpH
|
酸と塩基を混ぜると、それぞれの性質がうち消し合ったものになりますが、これが中和（neutralization）です。酸とは酢酸（CH3COOH; acetic acid）やクエン酸などで、水に溶かすとプロトン（H+; proton）ができます。塩基とは苛性ソーダ（NaOH）やアンモニア（NH3）などで、水に溶かすとOH-（水酸化イオン、hydroxide ion）ができます。
酸と塩基を同じ量（等量）だけ加えた点を中和点（point of neutralization、または当量点）といいます。塩酸（HCl）を苛性ソーダで中和すると、水溶液は中性のpH
7になりますが、酢酸を苛性ソーダで中和すると、中性ではなくアルカリ性に偏ったpH 8.8になります。酸と塩基の強さに関係するのです。塩酸は強い酸ですが、酢酸は弱い酸だからです。
上の図で胃酸（胃液、gastric juice；胃酸、gastric acid）はpH 2付近ですが、胃酸が出過ぎると胸やけがします。これを抑えるのに制酸剤を飲みますが、水酸化マグネシウム（Mg(OH)2） で、そのpHは10.5です。制酸剤を飲むと、胃酸が中和されるのです。
酸が強いとか弱いとかとはどういうことなのかを考えてみます。HClを水に溶かすと、H2OにH+が付いたH3O+とCl-のイオンになります。HClはガス（塩化水素ガス、hydrogen chloride）で、これを水にとかしたものが塩酸です。
これを、簡単に次のように書きます。
HClは水に入れると、イオンになったのです（解離といいます）。この反応は平衡（equilibrium）であって、その平衡定数（equilibrium
constants）は次のようになります。
この平衡定数Kaを酸解離定数（acid dissociation constant）といいますが、pHと同じく対数の逆数をとって、一般にpKaで表し、酸の強さを示すことができます。塩酸は強い酸で、水中ではほとんどがイオンになっています。塩素イオン（Cl-）が安定なためです。塩酸では[HCl]が小さいのでKaは大きく、pKa
= -7です。
こんどは酢酸を水に溶かしてみます。やはり解離してイオンになりますが、塩酸のように全てがイオンにはなっていないのです。したがって酢酸の酸解離定数は小さく、平衡が全てイオンの方には行っていないのです。これは、CH3COOHは水の中でも安定で、CH3COO-になる必要がないのです。酢酸のpKa = 4.76です。
強い酸とは水の中でイオンになりやすく、同じ量を溶かしても多くのH+を出すものです。
苛性ソーダを水に溶かすと、塩酸と同じようにほとんどがNa+とOH-のイオンになります。苛性ソーダは強い塩基です。この場合の平衡定数を塩基解離定数とよび、やはりpKbで塩基の強さを表します。
こんどはアンモニアを水に溶かしてみます。アンモニアはガスで、これを水に溶かしたものがアンモニア水です。苛性ソーダにはOHがありましたが、アンモニアにはOHがありません。しかし、水に溶かすと、NH3に水のH+が付いてNH4+になり、OH-が出てくるのです。しかし、NH3も安定で水にそのまま溶けるので、全てがイオンになっているわけではありません。アンモニアは弱い塩基なのです。アンモニア水を温めるとアンモニアガスが出てきます。アンモニアのpKb
= 4.76です。
水はH+が取れてOH-になるので酸であり、またH+が付いてH3O+になるので塩基でもあるのです。
酢酸は水の中でH+を出すので酸ですが、酢酸イオン（CH3COO-）は水の中で次のような平衡になりOH-を出すので、塩基です。
塩酸水溶液に苛性ソーダ水溶液を加えていくと、溶液は酸性から中性、さらにアルカリ性になっていきます。塩酸が水酸化ナトリウムで中和されたのです。
実際は水の中で解離した状態で進んでいるので、次のようにイオンが反応しているのです。中和とはNa+とCl-が等量になったことです。
縦軸に溶液のpH（pHメーターで測定する）を、横軸に加えた苛性ソーダの量をとると図のような曲線がえられ、これが滴定曲線です。あるところでpHが急激に高くなりますが、そこが中和点で、塩酸と苛性ソーダ量が同じ（等量）になったところです。曲線に接線を引けば、接線の傾きが無限大になるところです。
NaOHがゼロの点では、HCl水溶液のpH です。ほとんどがイオン化（H+ , Cl-）していますので、pHは0.0付近です。
NaOHを加えていっても、HClで中和されてしまうので、pHはそんなに高くなりません。この段階では、NaClが増加し、HClが減少しています。
この図ではNaOHを20ml加えたところでpHは急激に上がってきます。HClが無くなっていき、OHが増えていくためです。中和点はちょうど真ん中の点で、HClとNaOHの量が同じになり、HCl
やNaOH は無くNaClだけが存在します。
中和点を過ぎると、加えた NaOHが余ってきますので、溶液のpHは上がってきます。
このような中和滴定では、pHメーターを使わなくても指示薬（acid base indicator）を使えば簡単に行うことができます。指示薬は中和点付近で色が変化するものです。塩酸と苛性ソーダの中和では、リトマス試験紙やBTB指示薬が使えます（指示薬については次のQ&A で詳しく説明します）。
弱い酸である酢酸を強い塩基であるNaOH で中和すると酢酸ナトリウムができますが、中和点でのpHは7ではなくアルカリ性に偏った8.8ぐらいになります。そこで、この8.8に近いpKaをもった指示薬を使えばよいのです。たとえば、フェノールフタレインです。
CH3COOHとNaOHはそれぞれ水中で次のように解離していますが、CH3COOHの解離は弱いです。
この場合の滴定曲線では、最初はゆっくりとpHが上がり、pH 8付近で急激に高くなります。
（１）HClの場合は、強い酸ですからほとんどイオン化していて、pHは0付近ですが、CH3COOHは弱い酸で全てがイオンになっていないので、pHは3付近です。
（２）加えたNaOHがCH3COOHに消費されればpHは変わらないはずですが、生成したCH3COO-がCH3COOHのイオン化を抑制するのでpHが少し上がります（共通イオン効果）。
（３）この領域ではNaOH を加えてもpHはほとんど変化がありません。これを緩衝液（buffer solution）といいます。緩衝液は液のpH
を一定に保ちたい時に使います。緩衝領域では次の式（Henderson-Hasselbalch 式）が成り立ちます。
（４）CH3COOHが半分だけ中和された点（４）では、[CH3COO-]
= [CH3COOH]になるので、pH = pKa になります。すなわち、この点のpHはCH3COOHのpKaになるわけです。
（５）CH3COOHが全て中和された中和点です。CH3COOHはCH3COONa
になっています。この点のpHは中性の7ではなく、8.8ぐらいです。
（６）中和点を過ぎると、加えたNaOH が余ってくるので、溶液はアルカリ性になり、最後はpH 14になります。
次に、塩酸を苛性ソーダで中和するとpHは７になるのに、酢酸を苛性ソーダで中和するとpHは8.8になるのはなぜかを考えてみます。中和でできたものは酢酸ソーダ（CH3COONa）ですが、これを水に溶かしてみます。すると、次のようにイオンに解離します。
できた酢酸イオン（CH3COO-）は水の中で次のような平衡により一部酢酸になりH+が少なくなります。しかし、Na+は水の中で次のような平衡にありますが、Na+は安定でこの平衡はほとんど左に傾き、NaOHはできずOH-は無くなりません。
したがって、酢酸ソーダを水に溶かしても中性ではなくアルカリ性（pH 8.8）なのです。これは、酢酸を苛性ソーダで中和したときも同じで、中和点ではpH
8.8なのです。
せっけんは脂肪酸のナトリウム（またはカリウム）塩ですが、水に溶かすとアルカリ性になります。脂肪酸については豆腐のところで述べましたが、長い鎖の端に-COOHが付いたものです。したがって、せっけんを水に溶かすことは、酢酸ソーダを水に溶かしたのと同じです。アルカリ性は皮膚を痛めるので、注意が必要です。シャンプーの後でリンスをするのは、それを中和するためです。
|
