基礎（化学）

化学において、「塩基」という言葉には、一般的にアレニウス塩基、ブレンステッド塩基、ルイス塩基という3つの定義があります。これらの定義はすべて、塩基は酸と反応する物質であるという点で一致しており、これは18世紀半ばにG.-F.ルーエルによって最初に提唱されたものです。

1884年、スヴァンテ・アレニウスは、塩基とは水溶液中で解離して水酸化物イオンOH⁻^を生成する物質であると提唱した。これらのイオンは、酸の解離によって生じる水素イオン（アレニウスによればH⁺ ^）と反応して、酸塩基反応で水を生成する。したがって、塩基はNaOHやCa(OH) _₂のような金属水酸化物であった。このような水酸化物水溶液は、いくつかの特徴的な性質によっても説明された。それらは触ると滑りやすく、苦味があり^{[ 1 ]}、pH指示薬の色を変える（例えば、赤色リトマス紙を青色に変える）。

水中では、塩基は自己イオン化平衡を変化させることで、純水よりも水素イオン活性が低い溶液、すなわち標準条件下でpHが7.0より高い溶液を生成します。可溶性塩基は、 ^OH⁻イオンを定量的に含み、放出する場合、アルカリと呼ばれます。金属酸化物、水酸化物、特にアルコキシドは塩基性であり、弱酸の共役塩基は弱塩基です。

酸と塩基は化学的に正反対の性質を持つと考えられています。なぜなら、酸は水中のヒドロニウムイオン（H₃O⁺）濃度を増加させるのに対し、塩基はこの濃度を減少させるからです。酸と塩基の水溶液が反応すると中和反応が起こり、^水と_塩の溶液が生成されます。この塩は構成イオンに分離します。水溶液が特定の塩溶質で飽和状態になると、それ以上の塩は溶液から沈殿します。

より一般的なブレンステッド・ローリー酸塩基理論（1923年）では、塩基とは水素カチオン（H ⁺）を受け入れることができる物質、つまりプロトンです。OH ^{− はH +}と反応して水を生成するため、水酸化物水溶液もこれに含まれ、アレニウス塩基はブレンステッド塩基のサブセットとなります。しかし、アンモニア（NH ₃）の水溶液やその有機誘導体（アミン）など、プロトンを受け入れる他のブレンステッド塩基もあります。^{[ 2 ]}これらの塩基は水酸化物イオンを含みませんが、それでも水と反応し、水酸化物イオンの濃度が増加します。^{[ 3 ]}また、非水溶媒の中には、溶媒和プロトンと反応するブレンステッド塩基を含むものもあります。たとえば、液体アンモニアでは、NH ₂ ⁻は塩基性イオン種であり、この溶媒中の酸性種である NH ₄ ^{+からプロトンを受け取ります。}

G.N. ルイスは、水、アンモニア、その他の塩基が、塩基が持つ非共有電子対のためにプロトンと結合できることに気づいた。 ^{[ 3 ]}ルイス理論では、塩基は電子対供​​与体であり、電子受容体と電子対を共有することができ、電子受容体はルイス酸と呼ばれる。^{[ 4 ]}ルイス理論は、ルイス酸が必ずしもプロトンではなく、電子対を受け入れることができる空の低エネルギー軌道を持つ別の分子（またはイオン）である可能性があるため、ブレンステッドモデルよりも一般的である。注目すべき例の 1 つは、三フッ化ホウ素（BF3 _）である。

過去には塩基と酸に関する他の定義もいくつか提案されてきたが、今日では一般的に用いられていない。

基質の概念は、より古い錬金術的な「母体」の概念に由来する。

「塩基」という用語は、1717年にフランスの化学者ルイ・ルメリーによって、より古いパラケルススの用語「基質」の同義語として初めて使用されたようです。16世紀のアニミズムに沿って、パラケルススは、自然に存在する塩は、普遍的な酸または種子原理が土の基質または子宮に浸透した結果として、地中で成長すると仮定しました。…しかし、その現代的な意味と化学用語への一般的な導入は、通常、フランスの化学者ギヨーム＝フランソワ・ルエルに帰せられています。…1754年、ルエルは、中性塩を、酸と、水溶性アルカリ、揮発性アルカリ、吸収性土、金属、または油など、塩の「塩基」として機能し、「具体的または固体の形を与える」ことができる物質との結合によって形成される生成物として明確に定義しました。 18世紀に知られていた酸のほとんどは、蒸留可能な揮発性の液体、いわゆる「アルコール」であったのに対し、塩は本質的に結晶性の固体であった。したがって、酸を中和する物質こそが、酸の揮発性、すなわちアルコール性を破壊し、結果として生じる塩に固体性（すなわち、具体的な塩基性）を与えると考えられていた。

塩基の一般的な性質には以下が含まれます。

• 濃度の高い、あるいは強い塩基は有機物に対して腐食性があり、酸性物質とは激しく反応する。
• 水溶液や溶融した塩基はイオンに解離し、電気を伝導する。
• 指示薬との反応：塩基は赤色リトマス紙を青色に変え、フェノールフタレインをピンク色に変え、ブロモチモールブルーを本来の青色のままにし、メチルオレンジイエローに変えます。
• 標準状態における塩基性溶液のpHは7より大きい。
• 塩基は苦い。^{[ 6 ]}

以下の反応は、塩基（B）と水が反応して共役酸（BH ⁺）と共役塩基（OH ⁻）を生成する一般的な反応を表しています。^{[ 3 ]}$${\displaystyle {\ce {{B}_{(aq)}+ {H2O}_{(l)}<=> {BH+}_{(aq)}+ {OH-}_{(aq)}}}$$この反応の平衡定数 K _{b は}、次の一般式を使用して求めることができます。^{[ 3 ]}

${\displaystyle K_{b}={\frac {[BH^{+}][OH^{-}]}{[B]}}}$

この式では、塩基（B）と非常に強い塩基（共役塩基OH⁻ ^）がプロトンをめぐって競合します。^{[ 7 ]}その結果、水と反応する塩基は比較的小さな平衡定数値を持ちます。^{[ 7 ]}平衡定数値が低いほど、塩基は弱くなります。^{[ 3 ]}

塩基は水中でもアルコール中でも、酸と速やかに反応して互いに中和する。^{[ 8 ]}強塩基である水酸化ナトリウムは水に溶解すると、水酸化物イオンとナトリウムイオンに電離する。

${\displaystyle {\ce {NaOH -> Na+ + OH-}}}$

同様に、水中では酸である塩化水素がヒドロニウムイオンと塩化物イオンを形成する。

${\displaystyle {\ce {HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}}}$

2つの溶液を混合すると、H₃ O ⁺およびOH−^​イオンが結合して水分子を形成する。

${\displaystyle {\ce {H3O+ + OH- -> 2H2O}}}$

水酸化ナトリウム（NaOH）と塩酸（HCl）を同量溶解すると、塩基と酸が完全に中和され、溶液中には塩化ナトリウム（NaCl）、つまり食塩だけが残る。

重曹や卵白などの弱塩基を用いて、酸の流出を中和してください。水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの強塩基で酸の流出を中和すると、激しい発熱反応が起こる可能性があり、また、塩基自体が元の酸の流出と同じくらいの被害をもたらす可能性があります。

塩基とは一般的に、一定量の酸を中和できる化合物のことである。炭酸ナトリウムとアンモニアはどちらも塩基であるが、これらの物質はいずれもOH⁻を含んでいない^。両化合物は、水などのプロトン性溶媒に溶解すると、 H ^{+を受け入れる。}

${\displaystyle {\ce {Na2CO3 + H2O -> 2Na+ + HCO3- + OH-}}}$

${\displaystyle {\ce {NH3 + H2O -> NH4+ + OH-}}}$

このことから、塩基の水溶液のpH値、すなわち酸性度を計算することができる。

塩基は、1つの電子対を持つことで他の原子の価電子殻に入り、電子対結合を受け入れる能力を持つ分子としても定義されます。^{[ 8 ]}分子に塩基性を与える能力を持つ原子を持つ元素は限られています。^{[ 8 ]}炭素は窒素や酸素と同様に塩基として作用することができます。フッ素や、場合によっては希ガスもこの能力を持っています。^{[ 8 ]}これは通常、ブチルリチウム、アルコキシド、ナトリウムアミドなどの金属アミドなどの化合物で発生します。共鳴安定化のない炭素、窒素、酸素の塩基は通常非常に強い、または超塩基であり、水の酸性のため水溶液中には存在できません。しかし、共鳴安定化により、カルボン酸塩などの弱い塩基が可能になります。たとえば、酢酸ナトリウムは弱い塩基です。

強塩基とは、水に触れると定量的にプロトン化される塩基のことである。この完全なプロトン化は、均質化効果の結果である。「強塩基」という用語は、この場合「強い」が塩基の分類であって、定性的な記述ではないため、混乱を招く可能性がある。例えば、グアニジンは非常に塩基性の高い分子であるが、水によって完全にプロトン化されないため、強塩基の定義を満たさない。

強塩基の一般的な例としては、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カルシウムなどが挙げられる。溶解度が低いため、アルカリ土類金属の水酸化物などの一部の塩基は、溶解度係数を考慮しない場合に使用できる。^{[ 9 ]}

この低溶解性の利点の1つは、「多くの制酸剤は水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物の懸濁液であった」ことです。^{[ 10 ]}低溶解性で水酸化物イオン濃度の増加を阻止する能力を持つ化合物は、口、食道、胃の組織への損傷を防ぎます。^{[ 10 ]}反応が継続して塩が溶解すると、胃酸は懸濁液によって生成された水酸化物と反応します。^{[ 10 ]}

強塩基は、均質化効果により水中で完全に加水分解される。^{[ 8 ]}この過程では、水分子が酸として作用して塩基をプロトン化し、水酸化物アニオンが生成される。^{[ 8 ]}無水条件下では、一部の強塩基は弱酸性のC-H結合を脱プロトン化することさえある。以下にいくつかの強塩基のリストを示す。

これらの強塩基の陽イオンは、周期表の第1族と第2族（アルカリ金属とアルカリ土類金属）に存在します。テトラアルキル化アンモニウム水酸化物も、水中で完全に解離するため、強塩基です。グアニジンは、プロトン化されたときに非常に安定な特殊な種であり、過塩素酸や硫酸が非常に強い酸である理由と類似しています。

弱塩基とは、水溶液中で完全に電離しない、またはプロトン化が不完全な塩基のことである。例えば、アンモニアは式^{[ 12 ]}に従って水からプロトンを受け取る。

NH₃ (aq) + H₂O ₍ l) _→ NH₄⁺ ( aq) + ^OH⁻ ( ^aq ₎

25 °C におけるこの反応の平衡定数は 1.8 × 10 ⁻⁵であり、^{[ 13 ]}反応の程度またはイオン化の程度は非常に小さい。

ルイス塩基または電子対供​​与体は、1つ以上の高エネルギーの孤立電子対を持つ分子であり、これらの孤立電子対は、受容体分子の低エネルギーの空軌道と共有されて付加物を形成する。H ⁺に加えて、電子対受容体（ルイス酸）として考えられるものには、BF ₃などの中性分子や、Ag ²⁺、Fe ³⁺、Mn ⁷⁺などの高酸化状態の金属イオンが含まれる。金属イオンを含む付加物は、通常、配位錯体として記述される。^{[ 14 ]}

ルイスの元の定式化によれば、中性塩基が中性酸と結合すると、電気的ストレス状態が発生する。^{[ 8 ]}酸と塩基は、以前は塩基に属していた電子対を共有する。^{[ 8 ]}その結果、高い双極子モーメントが生成され、これは分子を再配置することによってのみゼロに減少させることができる。^{[ 8 ]}

固体の基盤の例としては、以下のようなものがあります。

• 酸化物混合物：SiO ₂、Al ₂ O ₃ ; MgO、SiO ₂ ; CaO、SiO ₂ ^{[ 15 ]}
• マウントベース: LiCO _{3 を}シリカ上に、NR ₃、NH ₃、KNH ₂をアルミナ上に、NaOH 、KOH をアルミナ上のシリカ上にマウント^{[ 15 ]}
• 無機薬品：BaO、KNaCO ₃、BeO、MgO、CaO、KCN ^{[ 15 ]}
• 陰イオン交換樹脂^{[ 15 ]}
• 900℃で処理された木炭、またはN2O _、 NH3 _、 ZnCl2 _- NH4Cl _- CO2_{で活性化された木炭}^{[ 15 ]}

固体表面が電気的に中性の酸を吸収して共役塩基をうまく形成できるかどうかによって、表面の塩基強度が決定されます。^{[ 16 ]}固体塩基触媒の塩基強度を表すには、「固体の単位表面積あたりの塩基性サイト数」が使用されます。^{[ 16 ]}科学者は、塩基性サイトの量を測定するために、指示薬と気体酸吸着を用いた安息香酸による滴定という 2 つの方法を開発しました。^{[ 16 ]}十分な塩基強度を持つ固体は、電気的に中性の酸性指示薬を吸収し、酸性指示薬の色をその共役塩基の色に変化させます。^{[ 16 ]}気体酸吸着法を実行する際には、一酸化窒素が使用されます。^{[ 16 ]}その後、吸収された二酸化炭素の量を計算することによって塩基性サイトが決定されます。^{[ 16 ]}

塩基性物質は、化学反応の不溶性不均一触媒として使用できます。例としては、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウムなどの金属酸化物、アルミナ上のフッ化カリウム、および一部のゼオライトなどがあります。多くの遷移金属は優れた触媒となり、その多くは塩基性物質を形成します。塩基性触媒は、水素化、二重結合の移動、メーアワイン・ポンドルフ・フェルレー還元、マイケル反応、その他多くの反応に使用されます。CaOとBaOはどちらも、高温に加熱すると非常に活性の高い触媒になります。^{[ 16 ]}

• 水酸化ナトリウムは、石鹸、紙、合成繊維であるレーヨンの製造に使用される。
• 水酸化カルシウム（消石灰）は漂白剤の製造に用いられる。
• 水酸化カルシウムは、発電所や工場で発生する排気ガスから生じる二酸化硫黄を除去するためにも使用されます。 ^{[ 10 ]}
• 水酸化マグネシウムは、胃の中の過剰な酸を中和し、消化不良を治すための「制酸剤」として使用されます。
• 炭酸ナトリウムは、洗濯用ソーダとして、また硬水を軟化させるために使用される。
• 重曹（または炭酸水素ナトリウム）は、料理の際のベーキングソーダとして、ベーキングパウダーの製造、消化不良を治療する制酸剤として、またソーダ系消火器の原料として使用されます。
• 水酸化アンモニウムは、衣類の油汚れを落とすのに使用されます。

式単位あたりイオン化可能な水酸化物イオン（OH ⁻ ）が 1 つしかない塩基は、プロトン（H ⁺ ）を 1 つしか受け入れられないため、一塩基性と呼ばれます。式単位あたり OH − が 1 つ以上ある塩基は多塩基性です。^{[ 17 ]}

塩基の1つの式単位中に存在するイオン化可能な水酸化物（OH ⁻ ）イオンの数は、塩基の酸性度とも呼ばれます。 ^{[ 18 ] [ 19 ]}酸性度に基づいて、塩基は一酸性、二酸性、三酸性の3種類に分類できます。

一酸性塩基

塩基分子1つが完全電離によって水酸化物イオン1つを生成する場合、その塩基は一酸性塩基または一プロトン塩基と呼ばれる。一酸性塩基の例としては、以下のようなものがある。

水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化銀、水酸化アンモニウムなど。

二酸性塩基

1分子の塩基が完全電離によって2つの水酸化物イオンを生成する場合、その塩基は二酸性または二塩基性であると言われます。二酸性塩基の例は次のとおりです。

水酸化バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化亜鉛、水酸化鉄(II)、水酸化スズ(II)、水酸化鉛(II)、水酸化銅(II)など。

• 塩基の豊富さ（生態学において、環境を指す際に用いられる）
• 滴定

• Wiktionaryにおけるbaseの辞書定義