アレニウスとブレンステッド・ローリーの酸・塩基の定義

アレニウスの定義とブレンステッド・ローリーの定義の違いを知り、反応式の中で $H_{2} O$ などが酸・塩基のどちらとしてはたらいているかを判定できる

前提

酸・アルカリと中和・指示薬（中学理科化学分野の用語と知識）

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
酸・アルカリと中和・指示薬（中学理科化学分野の用語と知識）

説明

酸・塩基の定義には、水溶液中で何を生じるかに注目するアレニウスの定義と、反応の中で水素イオン $H^{+}$ をやりとりする相手に注目するブレンステッド・ローリーの定義があります。この技能では、2 つの定義の違いを説明でき、反応式を見て、その反応の中で $H_{2} O$ などの物質が酸と塩基のどちらとしてはたらいているかを判定できるようになります。同じ水でも、反応の相手によって酸にも塩基にもなることを理解するのが目標です。

なぜそうしてよいのか

アレニウスの定義では、水に溶けて $H^{+}$ （実際には水分子と結びついたオキソニウムイオン $H_{3} O^{+}$ ）を生じる物質が酸、水に溶けて水酸化物イオン $O H^{-}$ を生じる物質が塩基です。中学で学んだ「酸性・アルカリ性のもとになるイオン」の考え方そのものです。 $N H_{3}$ は分子の中に $OH$ を持ちませんが、水に溶けると $N H_{3} + H_{2} O ⇄ N H_{4}^{+} + O H^{-}$ のように水と反応して $O H^{-}$ を生じるので、アレニウスの定義でも塩基といえます（ただし、この $O H^{-}$ は $N H_{3}$ 自身から出たものではなく、水分子が $H^{+}$ を失ってできたものです）。アレニウスの定義の弱点は、「水に溶けて」という条件があるため水溶液に限られることです。たとえば気体どうしの反応 $N H_{3} + HCl \to N H_{4} Cl$ には水がないので、この定義では酸・塩基を判定できません。

ブレンステッド・ローリーの定義では、反応の中で相手に $H^{+}$ を与える物質（分子やイオン）を酸、相手から $H^{+}$ を受け取る物質を塩基とします。注目するのは「 $H^{+}$ がどちらからどちらへ移ったか」だけなので、水溶液でなくても使えます。例えば $N H_{3} + H_{2} O ⇄ N H_{4}^{+} + O H^{-}$ では、 $H_{2} O$ が $N H_{3}$ に $H^{+}$ を渡して $O H^{-}$ になり、 $N H_{3}$ はそれを受け取って $N H_{4}^{+}$ になっています。つまり $N H_{3}$ は塩基、 $H_{2} O$ は酸です。 $N H_{3} + HCl \to N H_{4} Cl$ でも、 $HCl$ が $H^{+}$ を与える酸、 $N H_{3}$ が受け取る塩基と判定できます。

この定義では、「酸か塩基か」は物質ごとに決まっているのではなく、その反応での役割で決まります。 $HCl + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + C l^{-}$ では、 $H_{2} O$ は $HCl$ から $H^{+}$ を受け取って $H_{3} O^{+}$ になるので塩基です。このように、水は相手が $H^{+}$ を出しやすい物質なら塩基として、 $H^{+}$ を受け取りやすい物質なら酸としてはたらきます。

手順

反応式の左辺と右辺で、同じ物質がどう変わったかを組にする（例： $H_{2} O \to O H^{-}$ 、 $N H_{3} \to N H_{4}^{+}$ ）
各組で $H$ の数（と電荷）の変化を見る。 $H$ が 1 個減り電荷が 1 減っていれば $H^{+}$ を与えた、 $H$ が 1 個増え電荷が 1 増えていれば $H^{+}$ を受け取った
$H^{+}$ を与えた物質を酸、受け取った物質を塩基と判定する（ブレンステッド・ローリーの定義）
アレニウスの定義を問われたときは、水に溶けて $H^{+}$ （ $H_{3} O^{+}$ ）を生じるなら酸、 $O H^{-}$ を生じるなら塩基と判定する（水溶液でない反応には使えない）

例題

次のア〜エの反応のうち、下線を引いた水分子 $H_{2} O$ がブレンステッド・ローリーの定義で酸としてはたらいているものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　 $HCl + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + C l^{-}$
イ　 $N H_{3} + H_{2} O ⇄ N H_{4}^{+} + O H^{-}$
ウ　 $C H_{3} COOH + H_{2} O ⇄ C H_{3} CO O^{-} + H_{3} O^{+}$
エ　 $HN O_{3} + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + N O_{3}^{-}$

例題の解答

手順 1：それぞれの反応で、 $H_{2} O$ が何に変わったかを見る。ア・ウ・エでは $H_{2} O \to H_{3} O^{+}$ 、イでは $H_{2} O \to O H^{-}$ 。

手順 2： $H_{2} O \to H_{3} O^{+}$ は $H$ が 1 個増えて電荷が $+ 1$ になっているので、 $H^{+}$ を受け取った。 $H_{2} O \to O H^{-}$ は $H$ が 1 個減って電荷が $- 1$ になっているので、 $H^{+}$ を与えた。

手順 3： $H^{+}$ を与えた $H_{2} O$ が酸なので、酸としてはたらいているのはイ（このとき $N H_{3}$ は $H^{+}$ を受け取る塩基）。ア・ウ・エの $H_{2} O$ は塩基としてはたらいている。

よって答えはイ。

答え:

イ

よくある誤り

$H_{2} O$ はいつも中性だから酸でも塩基でもないとしてしまう誤り。正しくは、 $N H_{3} + H_{2} O ⇄ N H_{4}^{+} + O H^{-}$ では $H^{+}$ を与える酸、 $HCl + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + C l^{-}$ では $H^{+}$ を受け取る塩基としてはたらく。
右辺に $O H^{-}$ があるから $H_{2} O$ は塩基だと考えてしまう誤り。 $N H_{3} + H_{2} O ⇄ N H_{4}^{+} + O H^{-}$ で $H_{2} O$ を塩基としてしまうが、正しくは $H_{2} O \to O H^{-}$ で $H^{+}$ を与えているので酸。
アレニウスの定義では分子中に $OH$ を持つものだけが塩基だから、 $N H_{3}$ は塩基ではないとしてしまう誤り。正しくは $N H_{3}$ は水に溶けると $N H_{3} + H_{2} O ⇄ N H_{4}^{+} + O H^{-}$ により $O H^{-}$ を生じるのでアレニウスの定義でも塩基であり、ブレンステッド・ローリーの定義では $H^{+}$ を受け取るので塩基。
ブレンステッド・ローリーの定義もアレニウスの定義と同じく水溶液中でしか使えないとしてしまう誤り。正しくは $H^{+}$ のやりとりだけに注目するので、気体どうしの反応 $N H_{3} + HCl \to N H_{4} Cl$ でも $HCl$ を酸、 $N H_{3}$ を塩基と判定できる。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
ブレンステッド・ローリーの定義では、水素イオン $H^{+}$ を相手に与える分子・イオンを酸、 $H^{+}$ を相手から受け取る分子・イオンを塩基という。
次のア〜エの反応式のうち、左辺の $H_{2} O$ が酸としてはたらいているものはどれか。最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　 $HCl + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + C l^{-}$
- イ　 $C H_{3} COOH + H_{2} O ⇄ C H_{3} CO O^{-} + H_{3} O^{+}$
- ウ　 $N H_{3} + H_{2} O ⇄ N H_{4}^{+} + O H^{-}$
- エ　 $N H_{4}^{+} + H_{2} O ⇄ N H_{3} + H_{3} O^{+}$

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

酸・塩基の価数・強弱と電離度（高校化学酸と塩基（知識））
両性金属と不動態（高校化学無機物質（知識））
pKa の差とプロトン移動平衡の平衡定数（大学化学有機化学）