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酸とは、プロトン（すなわち水素カチオン、H + ）を供与できる分子またはイオン（ブレンステッド・ローリー酸として知られる）か、電子対と共有結合を形成できる分子またはイオン（ルイス酸として知られる）のことである。[ 1 ]
酸の最初のカテゴリーは、プロトン供与体、またはブレンステッド・ローリー酸です。水溶液の特殊な場合、プロトン供与体はヒドロニウムイオンH 3 O +を形成し、アレニウス酸として知られています。ブレンステッドとローリーは、アレニウス理論を非水溶媒にも適用できるように一般化しました。ブレンステッド・ローリー酸またはアレニウス酸は通常、H +を失った後もエネルギー的に有利な化学構造に結合した水素原子を含んでいます。
水性のアレニウス酸は、酸の実用的な説明を提供する特徴的な性質を持っています。[ 2 ]酸は酸っぱい味の水溶液を形成し、青色リトマス紙を赤色に変えることができ、塩基や特定の金属（カルシウムなど）と反応して塩を形成します。酸という言葉は、ラテン語のacidusに由来し、「酸っぱい」という意味です。[ 3 ]酸の水溶液はpH が7 未満で、口語では「酸」（「酸に溶解した」のように）とも呼ばれますが、厳密な定義では溶質のみを指します。[ 1 ] pH が低いほど酸性度が高く、したがって溶液中の水素陽イオンの濃度が高くなります。酸の性質を持つ化学物質または物質は酸性であると言われます。
一般的な水溶液酸には、塩酸（胃酸に含まれる塩化水素の溶液で、消化酵素を活性化する）、酢酸（酢はこの液体の希釈水溶液）、硫酸（自動車用バッテリーに使用）、クエン酸（柑橘類に含まれる）などがあります。これらの例が示すように、酸（口語的な意味で）は溶液または純物質であり、固体、液体、または気体である酸（厳密な意味で[ 1 ]）から派生することができます。強酸と一部の濃縮弱酸は腐食性がありますが、カルボランやホウ酸などの例外もあります。
酸の 2 番目のカテゴリーは、電子対と共有結合を形成するルイス酸です。例としては、三フッ化ホウ素(BF 3 ) があり、そのホウ素原子には、塩基の原子上の孤立電子対を共有することによって共有結合を形成できる空軌道があります。たとえば、アンモニア(NH 3 ) の窒素原子です。ルイスはこれをブレンステッドの定義の一般化と考え、酸とは、電子対を直接受け取るか、溶液中にプロトン (H + ) を放出することによって電子対を受け取る化学種であると考えました。塩化水素、酢酸、およびその他のほとんどのブレンステッド・ローリー酸は、電子対と共有結合を形成できないため、ルイス酸ではありません。[ 4 ]逆に、多くのルイス酸は、アレニウス酸またはブレンステッド・ローリー酸ではありません。現代の用語では、酸は暗黙のうちにブレンステッド酸であり、ルイス酸ではない。なぜなら、化学者はほとんど常にルイス酸を明示的にそのように呼ぶからである。[ 4 ]
現代の定義は、すべての酸に共通する基本的な化学反応に関係している。
日常生活で遭遇する酸のほとんどは水溶液であるか、水に溶ける性質を持つため、アレニウスの定義とブレンステッド・ローリーの定義が最も適切である。
ブレンステッド・ローリーの定義は最も広く用いられている定義であり、特に指定がない限り、酸塩基反応はプロトン（H +）が酸から塩基へ移動する反応であると想定される。
ヒドロニウムイオンは、3つの定義すべてにおいて酸である。アルコールやアミンはブレンステッド・ローリー酸になり得るが、酸素原子や窒素原子上の非共有電子対のためにルイス塩基としても機能する。
1884年、スヴァンテ・アレニウスは酸性の性質を水素カチオン（H +）に起因するものとし、後にプロトンまたはヒドロンと呼ばれるようになった。アレニウス酸とは、水に加えると水中のH +イオンの濃度が増加する物質である。 [ 4 ] [ 5 ]化学者は酸塩基反応を説明する際によくH + ( aq )と書き、水素カチオンを指すが、遊離水素原子核であるプロトンは水中に単独で存在せず、ヒドロニウムイオン（H 3 O +）または他の形態（H 5 O 2 +、H 9 O 4 + ）として存在する。したがって、アレニウス酸は、水に加えるとヒドロニウムイオンの濃度が増加する物質とも表現できる。例としては、塩化水素や酢酸などの分子性物質が挙げられる。
一方、アレニウス塩基とは、水に溶解すると水酸化物イオン（OH⁻ ）の濃度を増加させる物質である。これにより、イオンが反応してH₂O分子を形成するため、ヒドロニウムイオンの濃度は減少する。
この平衡状態により、ヒドロニウムイオン濃度の増加は水酸化物イオン濃度の減少を伴います。したがって、アレニウス酸は水酸化物イオン濃度を減少させる物質であり、アレニウス塩基は水酸化物イオン濃度を増加させる物質であると言えます。
酸性溶液では、ヒドロニウムイオンの濃度は1リットルあたり10⁻⁷モル以上である。pHはヒドロニウムイオン濃度の負の対数として定義されるため、酸性溶液のpHは7未満となる。
アレニウスの概念は多くの反応を説明するのに役立ちますが、その適用範囲はかなり限られています。1923年、化学者のヨハネス・ニコラウス・ブレンステッドとトーマス・マーティン・ローリーは、酸塩基反応にはプロトンの移動が伴うことをそれぞれ独立に認識しました。ブレンステッド・ローリー酸（または単にブレンステッド酸）は、ブレンステッド・ローリー塩基にプロトンを供与する物質です。[ 5 ]ブレンステッド・ローリー酸塩基理論は、アレニウス理論に比べていくつかの利点があります。酢に特有の味を与える有機酸である酢酸（CH3COOH ）の次の反応を考えてみましょう。
どちらの理論も最初の反応を容易に説明できます。CH₃COOHは水に溶解するとH₃O⁺の供給源となるため、アレニウス酸として作用し、水にプロトンを供与することでブレンステッド酸としても作用します。2番目の例では、CH₃COOHは同様の変化を起こし、この場合はアンモニア（ NH₃ ）にプロトンを供与しますが、反応でヒドロニウムイオンが生成されないため、アレニウスの酸の定義には当てはまりません。しかしながら、CH₃COOHはアレニウス酸とブレンステッド・ローリー酸の両方です。
ブレンステッド・ローリー理論は、非水溶液または気相における分子化合物の反応を記述するために使用できます。塩化水素（HCl）とアンモニアは、さまざまな条件下で反応して塩化アンモニウム（NH₄Cl ）を生成します。水溶液中では、HClは塩酸として振る舞い、ヒドロニウムイオンと塩化物イオンとして存在します。以下の反応は、アレニウスの定義の限界を示しています。
酢酸の反応と同様に、最初の例ではどちらの定義も当てはまります。最初の例では水が溶媒であり、HCl溶質によってヒドロニウムイオンが生成されます。次の2つの反応ではイオンの生成は伴いませんが、プロトン移動反応です。2番目の反応では、塩化水素とアンモニア（ベンゼンに溶解）が反応してベンゼン溶媒中で固体の塩化アンモニウムを生成し、3番目の反応では気体のHClとNH3が結合して固体を生成します。
3つ目の、わずかに関連性のある概念は、1923年にギルバート・N・ルイスによって提唱されたもので、プロトン移動を伴わない酸塩基特性を持つ反応を含む。ルイス酸とは、他の種から電子対を受け取る種、つまり電子対受容体である。[ 5 ]ブレンステッド酸塩基反応はプロトン移動反応であるのに対し、ルイス酸塩基反応は電子対移動反応である。多くのルイス酸はブレンステッド・ローリー酸ではない。以下の反応が酸塩基化学の観点からどのように記述されるかを比較してみよう。
最初の反応では、フッ化物イオンF⁻が三フッ化ホウ素に電子対を供与して、生成物であるテトラフルオロホウ酸塩を形成します。フッ化物は価電子対を「失う」のは、B-F 結合で共有される電子が 2 つの原子核間の空間領域に位置し、単独のフッ化物イオンにある電子よりもフッ化物原子核から遠いためです。BF₃はフッ化物から電子対を受け取るため、ルイス酸です。この反応はプロトン移動がないため、ブレンステッド理論では説明できません。
2番目の反応はどちらの理論でも説明できます。1つは、特定されていないブレンステッド酸からブレンステッド塩基であるアンモニアにプロトンが移動するというものです。もう1つは、アンモニアがルイス塩基として働き、孤立電子対を水素イオンに渡して結合を形成するというものです。電子対を受け取る種はルイス酸です。例えば、H₃O⁺中の酸素原子は、 H—O結合の1つが切断され、結合で共有されていた電子が酸素上に局在化するときに、電子対を受け取ります。
文脈によっては、ルイス酸は酸化剤または求電子剤とも呼ばれることがあります。酢酸、クエン酸、シュウ酸などの有機ブレンステッド酸はルイス酸ではありません。[ 4 ]これらは水中で解離してルイス酸H +を生成しますが、同時に同量のルイス塩基（上記酸の場合はそれぞれ酢酸、クエン酸、シュウ酸）も生成します。この記事では、ルイス酸よりもブレンステッド酸について主に扱います。
酸の反応は、 HA ⇌ H + + A −の形で一般化されることが多く、ここで HA は酸を表し、A −は共役塩基を表します。この反応はプロトリシスと呼ばれます。酸のプロトン化された形態 (HA) は、遊離酸と呼ばれることもあります。[ 6 ]
酸塩基共役対はプロトンが 1 つ異なり、プロトンの付加または除去 (それぞれプロトン化と脱プロトン化) によって相互変換できます。酸は荷電種であり、共役塩基は中性である場合があり、その場合、一般化された反応スキームはHA + ⇌ H + + Aと書くことができます。溶液中では、酸とその共役塩基の間に平衡が存在します。平衡定数Kは、溶液中の分子またはイオンの平衡濃度を表す式です。角括弧は濃度を示し、[H 2 O]は H 2 Oの濃度を意味します。酸解離定数K aは、一般的に酸塩基反応の文脈で使用されます。K aの数値は、生成物の濃度を反応物の濃度で割った積(乗算)に等しくなります。ここで、反応物は酸 (HA) であり、生成物は共役塩基と H +です。
2つの酸のうち強い方のK aは弱い方の酸よりも高くなります。強い酸の方がプロトンを失う傾向が強いため、水素カチオンと酸の比率は強い酸の方が高くなります。K aの取りうる値の範囲は桁違いに大きいため、より扱いやすい定数であるp K aがよく使われます。ここで、p K a = − log 10 K aです。強い酸は弱い酸よりもp K aが小さくなります。25 °Cの水溶液中で実験的に決定されたp K a は、教科書や参考資料でよく引用されます。
アレニウス酸は、その陰イオンに基づいて命名されます。古典的な命名法では、イオン接尾辞が削除され、次の表に従って新しい接尾辞に置き換えられます。「hydro-」という接頭辞は、酸が水素と他の1つの元素のみで構成されている場合に適用されます。たとえば、HClは陰イオンとして塩化物を持つため、接頭辞hydro-が使用され、接尾辞-ideによって塩酸という名前になります。
古典的な命名システム：
IUPAC命名法では、イオン化合物の名称に「水溶液」を単純に付加します。したがって、塩化水素の酸性溶液としてのIUPAC名は、塩化水素水溶液となります。
酸の強さは、プロトンを失う能力または傾向を指します。強酸は水中で完全に解離します。つまり、1モルの強酸HAが水に溶解すると、1モルのH +と1モルの共役塩基A−が生成され、プロトン化された酸HAは生成されません。対照的に、弱酸は部分的にしか解離せず、平衡状態では酸と共役塩基の両方が溶液中に存在します。強酸の例としては、塩酸（HCl）、ヨウ化水素酸（HI）、臭化水素酸（HBr）、過塩素酸（HClO4 ）、硝酸（HNO3 ）、硫酸（H2SO4 ）などがあります。これらは水中ではほぼ100%電離します。酸が強いほど、プロトンH +を失いやすくなります。脱プロトン化の容易さに寄与する2つの重要な要因は、 H-A結合の極性と、H-A結合の強度を決定する原子Aの大きさである。酸の強さは、共役塩基の安定性という観点からもよく議論される。
強い酸は、弱い酸よりも酸解離定数K<sub >a </sub>が大きく、pK <sub>a </sub>が低い。
スルホン酸は有機オキソ酸の一種で、強酸に分類されます。代表的な例としては、トルエンスルホン酸（トシル酸）が挙げられます。硫酸とは異なり、スルホン酸は固体となることがあります。実際、ポリスチレンを官能基化して作られたポリスチレンスルホン酸は、濾過可能な固体の強酸性プラスチックです。
超酸は、100%硫酸よりも強い酸です。超酸の例としては、フルオロアンチモン酸、マジック酸、過塩素酸などがあります。既知の最も強い酸は、プロトン親和力が177.8kJ/molであるヘリウム水素化物イオンです[ 7 ] [ 8 ]。超酸は、水を永久的にプロトン化して、イオン性の結晶性ヒドロニウム「塩」を生成することができます。また、カルボカチオンを定量的に安定化することもできます。
Kaは酸性化合物の強さを測定する指標ですが、水溶液中の酸性溶液の強さはpHによって測定されます。pHは溶液中のヒドロニウムイオン濃度を示す指標です。酸性化合物の水溶液のpHは、化合物の希釈度と化合物のKaによって決まります。
ルイス酸はECWモデルで分類されており、酸の強さには一定の順序がないことが示されている。[ 9 ] 一連の塩基に対するルイス酸の相対的な受容体強度は、他のルイス酸と比較してCBプロットで示すことができる。[ 10 ] [ 11 ] ルイス酸の強さの順序を定義するには、少なくとも2つの特性を考慮する必要があることが示されている。ピアソンの定性的HSAB理論では、 2つの特性は硬度と強度であり、ドラゴの定量的ECWモデルでは、2つの特性は静電的および共有結合的である。
一塩基酸（一塩基性酸とも呼ばれる）とは、以下に示すように、解離（イオン化とも呼ばれる）の過程で分子あたり1個のプロトンを供与できる酸のことである（HAで表記）。
鉱酸における一塩基酸の一般的な例としては、塩酸（HCl）と硝酸（HNO₃ ）が挙げられます。一方、有機酸の場合、この用語は主に1つのカルボン酸基の存在を示し、これらの酸は一塩基酸と呼ばれることもあります。有機酸の例としては、ギ酸（HCOOH）、酢酸（CH₃COOH ）、安息香酸（C₆H₅COOH ）などがあります。
多塩基酸（多塩基酸とも呼ばれる）は、1分子あたり1個以上のプロトンを供与できるのに対し、1分子あたり1個のプロトンしか供与できない一塩基酸とは対照的です。多塩基酸には、二塩基酸（または二塩基酸）（供与可能なプロトンが2個）、三塩基酸（または三塩基酸）（供与可能なプロトンが3個）など、より具体的な名称があります。タンパク質や核酸などの一部の高分子は、非常に多くの酸性プロトンを持つことができます。[ 12 ]
二塩基酸（ここでは H 2 A で表す）は、pH に応じて 1 または 2 回の解離を起こすことができます。それぞれの解離には、解離定数 K a1と K a2があります。
第一解離定数は通常、第二解離定数よりも大きい（すなわち、K a1 > K a2）。例えば、硫酸（H 2 SO 4）は、1つのプロトンを供与して硫酸水素アニオン（HSO − 4）を形成することができ、このときのK a1は非常に大きい。次に、2つ目のプロトンを供与して硫酸アニオン（SO 2− 4）を形成することができ、このときのK a2は中間的な強さである。第一解離のK a1が大きいため、硫酸は強酸である。同様に、不安定な弱酸である炭酸（H 2 CO 3）は、1つのプロトンを失って炭酸水素アニオン（HCO − 3）を形成し、さらに2つ目のプロトンを失って炭酸アニオン（CO 2− 3）を形成する。どちらのK a値も小さいが、K a1 > K a2である。
三塩基酸（H 3 A）は1回、2回、または3回の解離を起こすことができ、3つの解離定数を持ち、K a1 > K a2 > K a3となります。
三塩基酸の無機例としては、オルトリン酸（H 3 PO 4 ）があり、これは通常、単にリン酸と呼ばれます。3 つのプロトンは順次失われ、H 2 PO − 4、次に HPO 2− 4、最後にオルトリン酸イオンである PO 3− 4 （通常は単にリン酸と呼ばれます）が生成されます。元のリン酸分子上の 3 つのプロトンの位置は等価ですが、共役塩基がより負に帯電している場合、プロトンを失うことがエネルギー的に不利になるため、連続するKa値は異なります。三塩基酸の有機例としては、クエン酸があり、これは 3 つのプロトンを順次失って最終的にクエン酸イオンを形成します。
各水素イオンのその後の損失は好ましくないものの、すべての共役塩基は溶液中に存在します。各化学種の分率濃度α（アルファ）を計算できます。たとえば、一般的な二塩基酸は、溶液中にH₂A、HA⁻、およびA²⁻の3つの化学種を生成します。pH （ [ H⁺ ]に変換可能）またはすべての共役塩基を含む酸の濃度が与えられた場合、分率濃度は次のように計算できます。
これらの分率濃度を、与えられたK 1とK 2に対してpHに対してプロットしたものは、ビェルムプロットとして知られています。上記の式にはパターンが見られ、 i回脱プロトン化された一般的なn-プロトン酸に拡張することができます。
ここで、K 0 = 1 であり、その他の K 項は酸の解離定数である。
中和とは、酸と塩基が反応して塩と中和された塩基を生成する反応のことです。例えば、塩酸と水酸化ナトリウムは塩化ナトリウムと水を生成します。
中和は滴定の基本原理であり、pH指示薬は、酸に同量のモル数の塩基が加えられた時点で当量点を示す。中和によってpH7.0の溶液が得られると誤解されがちだが、これは反応中に酸と塩基の濃度がほぼ等しい場合にのみ当てはまる。
酸よりも弱い塩基で中和すると、弱酸性の塩が生成する。例えば、強酸である塩化水素と弱塩基であるアンモニアから生成される弱酸性の塩化アンモニウムが挙げられる。逆に、弱酸を強塩基で中和すると、弱塩基性の塩が生成する（例えば、フッ化水素と水酸化ナトリウムから生成されるフッ化ナトリウム）。
プロトン化された酸がプロトンを失うためには、系のpHがその酸のpKaを超える必要があります。塩基性溶液中のH+濃度が低下すると、平衡は共役塩基型（酸の脱プロトン化型）の方へ移動します。pHが低い（酸性の強い）溶液では、溶液中のH +濃度が十分に高いため、酸はプロトン化された状態を維持します。
弱酸とその共役塩基の塩の溶液は緩衝溶液を形成する。
水溶液中の酸の濃度を決定するために、酸塩基滴定が一般的に行われます。通常、NaOH または KOH などの既知濃度の強塩基溶液が添加され、添加された塩基の量に応じて指示薬の色の変化に従って酸溶液が中和されます。[ 13 ]塩基で滴定された酸の滴定曲線は 2 つの軸を持ち、x 軸は塩基の体積、y 軸は溶液の pH 値です。溶液に塩基が添加されるにつれて、溶液の pH は常に上昇します。
各二塩基酸滴定曲線には、左から右へ、2つの中間点、2つの当量点、および2つの緩衝領域があります。[ 15 ]
連続解離過程のため、二塩基酸の滴定曲線には 2 つの当量点があります。[ 16 ]最初の当量点は、最初のイオン化による最初のプロトンがすべて滴定されたときに発生します。[ 17 ]つまり、最初の当量点では、添加された OH −の量が元の H 2 Aの量に等しくなります。2 番目の当量点は、すべてのプロトンが滴定されたときに発生します。したがって、この時点で添加された OH −の量は、 H 2 Aの量の 2 倍に等しくなります。弱い二塩基酸を強塩基で滴定する場合、溶液中に生成された塩の加水分解のため、2 番目の当量点は pH が 7 以上で発生する必要があります。[ 17 ]どちらの当量点でも、塩基を 1 滴加えると、システムの pH 値が最も急激に上昇します。
二塩基酸の滴定曲線には、pH=pK aとなる2つの中間点があります。K aの値は2つあるため、最初の中間点はpH=pK a1で、2番目の中間点はpH=pK a2で発生します。[ 18 ]曲線の中心に中間点がある各セグメントは緩衝領域と呼ばれます。緩衝領域は酸とその共役塩基から構成されているため、次の当量点まで塩基が加えられたときのpHの変化に抵抗することができます。[ 5 ]
酸は、現代産業のほぼすべてのプロセスを処理する上で基本的な試薬です。二塩基酸である硫酸は、産業で最も広く使用されている酸であり、世界で最も生産されている工業用化学物質でもあります。主に肥料、洗剤、電池、染料の製造に使用されるほか、不純物の除去など多くの製品の加工にも使用されます。[ 19 ] 2011年の統計データによると、世界の硫酸の年間生産量は約2億トンでした。[ 20 ]例えば、リン酸塩鉱物は硫酸と反応してリン酸を生成し、リン酸肥料の製造に使用されます。また、亜鉛は酸化亜鉛を硫酸に溶解し、溶液を精製して電解採取することによって製造されます。
化学工業では、酸は中和反応を起こして塩を生成します。例えば、硝酸はアンモニアと反応して硝酸アンモニウム（肥料）を生成します。また、カルボン酸はアルコールとエステル化してエステルを生成することもできます。
酸は、酸洗と呼ばれる工程で金属の錆やその他の腐食を除去するためによく用いられます。また、自動車用バッテリーの硫酸のように、湿式電池の電解液としても使用されます。
酒石酸は、未熟なマンゴーやタマリンドなど、一般的に使用される食品の重要な成分です。天然の果物や野菜にも酸が含まれています。クエン酸は、オレンジ、レモン、その他の柑橘類に含まれています。シュウ酸は、トマト、ほうれん草、特にスターフルーツやルバーブに含まれています。ルバーブの葉と未熟なスターフルーツは、シュウ酸の濃度が高いため有毒です。アスコルビン酸（ビタミンC）は人体に必須のビタミンであり、アムラ（インドスグリ）、レモン、柑橘類、グアバなどの食品に含まれています。
多くの酸は、食品の味を変えたり保存料として利用したりするため、様々な食品添加物として含まれています。例えば、リン酸はコーラ飲料の成分です。酢酸は酢として日常生活で使われています。クエン酸はソースや漬物の保存料として使われています。
炭酸は、清涼飲料水に広く添加されている最も一般的な酸性添加物の1つです。製造工程では、通常、CO2を加圧してこれらの飲料に溶解させ、炭酸を生成します。炭酸は非常に不安定で、室温と圧力では水とCO2に分解する傾向があります。そのため、これらの種類の清涼飲料水のボトルや缶を開けると、CO2の泡が出て炭酸飲料がシュワシュワと泡立ちます。[ 21 ]
特定の酸は医薬品として使用される。アセチルサリチル酸（アスピリン）は鎮痛剤や解熱剤として用いられる。
酸は人体において重要な役割を果たしています。胃に存在する塩酸は、大きくて複雑な食物分子を分解することで消化を助けます。アミノ酸は、体組織の成長と修復に必要なタンパク質の合成に不可欠です。脂肪酸もまた、体組織の成長と修復に必要です。核酸は、DNAとRNAの合成、そして遺伝子を介した子孫への形質伝達に重要です。炭酸は、体内のpH平衡を維持するために重要です。
人体にはさまざまな有機化合物と無機化合物が含まれており、その中でもジカルボン酸は多くの生物学的行動において重要な役割を果たしています。これらの酸の多くはアミノ酸であり、主にタンパク質の合成材料として機能します。[ 22 ]他の弱酸は、共役塩基とともに緩衝剤として機能し、細胞に有害となるような大規模なpH変化を体内で起こさないようにしています。[ 23 ]残りのジカルボン酸も、人体内でさまざまな生物学的に重要な化合物の合成に関与しています。
酸は工業化学や有機化学において触媒として用いられます。例えば、硫酸はガソリン製造のためのアルキル化プロセスで大量に使用されます。硫酸、リン酸、塩酸などの一部の酸は、脱水反応や縮合反応にも影響を与えます。生化学では、多くの酵素が酸触媒作用を利用しています。[ 24 ]
生物学的に重要な分子の多くは酸です。酸性リン酸基を含む核酸には、DNAとRNAが含まれます。核酸には、生物の多くの特性を決定する遺伝暗号が含まれており、親から子へと受け継がれます。DNAには、アミノ酸サブユニットから構成されるタンパク質の合成のための化学的な設計図が含まれています。細胞膜には、リン脂質などの脂肪酸エステルが含まれています。
α-アミノ酸は、カルボキシル基（そのためカルボン酸と呼ばれる）、アミノ基、水素原子、および可変基に共有結合した中心炭素（αまたはアルファ炭素）を持つ。可変基は、R基または側鎖とも呼ばれ、特定のアミノ酸の同一性および多くの性質を決定する。最も単純なアミノ酸であるグリシンでは、R基は水素原子であるが、他のすべてのアミノ酸では、水素に結合した1つ以上の炭素原子を含み、硫黄、酸素、窒素などの他の元素を含む場合もある。グリシンを除いて、天然に存在するアミノ酸はキラルであり、ほぼ例外なくL配置で存在する。一部の細菌の細胞壁に含まれるペプチドグリカンには、D-アミノ酸が含まれている。生理的pH（通常7前後）では、遊離アミノ酸は電荷を帯びた状態で存在し、酸性カルボキシル基（-COOH）はプロトンを失い（-COO⁻ ）、塩基性アミン基（-NH₂ ）はプロトンを得ます（-NH₃⁺ ）。塩基性または酸性の側鎖を持つアミノ酸を除き、分子全体は正味電荷が中性で両性イオンです。例えば、アスパラギン酸は、1つのプロトン化されたアミン基と2つの脱プロトン化されたカルボキシル基を持ち、生理的pHでは正味電荷は-1です。
脂肪酸および脂肪酸誘導体は、生物学において重要な役割を果たすカルボン酸の一種です。これらは長い炭化水素鎖と、その一方の端にカルボン酸基を持っています。ほぼすべての生物の細胞膜は、主にリン脂質二重層、すなわち極性のある親水性リン酸基を「頭部」として持つ疎水性脂肪酸エステルのミセルで構成されています。膜には他にも成分が含まれており、その一部は酸塩基反応に関与することができます。
ヒトやその他多くの動物において、塩酸は胃の中で分泌される胃酸の一部であり、タンパク質や多糖類の加水分解を助けるとともに、不活性なプロ酵素であるペプシノゲンを酵素であるペプシンに変換する働きをする。一部の生物は防御のために酸を生成する。例えば、アリはギ酸を生成する。
酸塩基平衡は、哺乳類の呼吸調節において重要な役割を果たします。酸素ガス（O₂ ）は細胞呼吸を促進します。細胞呼吸とは、動物が食物に蓄えられた化学ポテンシャルエネルギーを放出し、副産物として二酸化炭素（CO₂ ）を生成する過程です。酸素と二酸化炭素は肺で交換され、体は換気速度を調整することで変化するエネルギー需要に対応します。例えば、運動中は、体は蓄えられた炭水化物と脂肪を急速に分解し、 CO₂を血流中に放出します。血液などの水溶液中では、CO₂は炭酸と重炭酸イオンと平衡状態にあります。
pHの低下が脳に呼吸を速く深くするように信号を送り、余分なCO2を排出し、細胞にO2を補充する。
細胞膜は、その内部を構成する親油性の脂肪アシル鎖のため、一般的に荷電分子や大きな極性分子に対して不透過性です。多くの医薬品を含む生物学的に重要な分子の多くは、プロトン化された非荷電形態では膜を通過できますが、荷電形態（すなわち共役塩基）では通過できない有機弱酸です。このため、多くの薬剤の活性は、制酸剤や酸性食品の使用によって増強または阻害されることがあります。しかし、荷電形態は、血液や細胞質（いずれも水性環境）において溶解度が高くなることがよくあります。細胞外環境が細胞内のpH中性よりも酸性である場合、特定の酸は中性形態で存在し、膜に可溶性となり、リン脂質二重層を通過できるようになります。細胞内pHでプロトンを失う酸は、可溶性の荷電形態で存在し、細胞質を介して標的部位まで拡散することができます。イブプロフェン、アスピリン、ペニシリンは、弱酸である薬剤の例です。
スルホン酸は一般式RS(=O) 2 –OHで表され、Rは有機ラジカルである。
カルボン酸の一般式はRC(O)OHで表され、Rは有機基である。カルボキシル基-C(O)OHは、カルボニル基C=Oとヒドロキシル基OHから構成される。
α位でのハロゲン化は酸の強さを増すため、以下の酸はすべて酢酸よりも強い。
通常のカルボン酸は、カルボニル基とヒドロキシル基が直接結合したものである。ビニル型カルボン酸では、カルボニル基とヒドロキシル基は炭素-炭素二重結合によって隔てられている。
![{\displaystyle K_{a}={\frac {[\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}]~[\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}]}{[\mathrm {HA} ]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5ad1f54a70a45ea863263baa691826f3ee6cfb58)
![{\displaystyle {\begin{aligned}\alpha _{\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {A} }&={\frac {[\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}]{\vphantom {A}}^{2}}{{[\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}]{\vphantom {A}}^{2}}+[{\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}}]K_{1}+K_{1}K_{2}}}={\frac {[\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {A} ]}{{\text{[H2A]}}+[HA^{-}]+[A^{2-}]}}\\\alpha _{\mathrm {HA} {\vphantom {A}}^{-}}&={\frac {[{\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}}]K_{1}}{{[\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}]{\vphantom {A}}^{2}}+[{\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}}]K_{1}+K_{1}K_{2}}}={\frac {[\mathrm {HA} {\vphantom {A}}^{-}]}{{[\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {A} ]}+{[HA^{-}]}+{[A^{2-}]}}}\\\alpha _{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{2-}}&={\frac {K_{1}K_{2}}{{[\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}]{\vphantom {A}}^{2}}+[{\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}}]K_{1}+K_{1}K_{2}}}={\frac {[\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{2-}]}{{\text{[H2A]}}+{[HA^{-}]}+{[A^{2-}]}}}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8e09f46996e12e5d2c821158e6bc6f70f54edbe7)
![{\displaystyle \alpha _{{\ce {H}}_{ni}A^{i-}}={{[{\ce {H+}}]^{ni}\displaystyle \prod _{j=0}^{i}K_{j}} \over {\displaystyle \sum _{i=0}^{n}{\Big [}[{\ce {H+}}]^{ni}\displaystyle \prod _{j=0}^{i}K_{j}}{\Big ]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5a82c39009cacb7d891f1f06a46a6558c3c91e76)
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）