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化学では、「塩基」という言葉には、アレニウス塩基、ブレンステッド塩基、ルイス塩基の 3 つの定義が一般的に使用されています。すべての定義は、塩基が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ました。
1884年、スヴァンテ・アレニウスは、塩基は水溶液中で解離して水酸化物イオンOH − を形成する物質であると提唱した。これらのイオンは、酸塩基反応で酸の解離によって生じた水素イオン（アレニウスによればH + ）と反応して水を形成する。したがって、塩基はNaOHやCa(OH) 2などの金属水酸化物であった。このような水酸化物水溶液は、特定の特徴的な性質によっても説明された。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くする）ことがある。
水中では、塩基は自動イオン化 平衡を変化させ、純水よりも水素イオン活性が低い溶液を生成します。つまり、標準状態での水のpH は7.0 より高くなります。可溶性塩基は、定量的にOH −イオンを含み、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。
塩基と酸は化学的に正反対であると考えられています。酸の効果は水中の水素イオン(H 3 O + ) 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ことです。酸と塩基の水溶液間の反応は中和と呼ばれ、水と塩の溶液が生成され、その中で塩はその構成イオンに分離します。水溶液が特定の塩溶質で飽和している場合、そのような塩がさらに存在すると溶液から 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) では、塩基とは水素陽イオン(H + )、別名プロトンを受け入れることができる物質です。OH − はH +と反応して水を形成するため、これには水性水酸化物が含まれ、そのためアレニウス塩基はブレンステッド塩基のサブセットです。ただし、アンモニア(NH 3 ) またはその有機誘導体(アミン) の水溶液など、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、一部の非水溶媒には、溶媒和プロトンと反応するブレンステッド塩基が含まれています。たとえば、液体アンモニアでは、NH 2 −は、この溶媒中の酸性種である NH 4 +からプロトンを受け入れる塩基性イオン種です。
GN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おかげで陽子と結合を形成できることに気づきました。 [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できます。この電子受容体はルイス酸と呼ばれます。[4]ルイス理論はブレンステッドモデルよりも一般的です。ルイス酸は必ずしも陽子ではなく、電子対を受け入れることができる空の低軌道を持つ別の分子（またはイオン）である可能性があるからです。注目すべき例の1つは三フッ化ホウ素（BF 3）です。
過去には塩基と酸の 他の定義がいくつか提案されましたが、現在では一般的に使用されていません。
プロパティ
塩基の一般的な特性は次のとおりです。
- 濃縮塩基または強塩基は有機物に対して腐食性があり、酸性物質と激しく反応します。
- 水溶液または溶融塩基はイオンに解離し、電気を伝導します。
- 指示薬との反応：塩基は赤色リトマス紙を青に、フェノールフタレインをピンクに、ブロモチモールブルーをその自然な色の青のままに、メチルをオレンジ黄色に変化させます。
- 標準状態での塩基性溶液の pH は 7 より大きくなります。
- 塩基は苦い。[5]
塩基と水の反応
次の反応は、塩基（B）と水が共役酸（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]この反応の平衡定数K b は、次の一般的な式を使用して求めることができます。[3]
![{\displaystyle K_{b}={\frac {[BH^{+}][OH^{-}]}{[B]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/de7d95e634a1ba7312137590076cad060dafa085)
この式では、塩基（B）と非常に強い塩基（共役塩基OH −）がプロトンを奪い合う。[6]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つ。[6]平衡定数値が低いほど、塩基は弱い。[3]
酸の中和
塩基は水中でもアルコール中でも酸と反応して速い速度で中和します。[7]水に溶解すると、強塩基である水酸化ナトリウムは水酸化物イオンとナトリウムイオンにイオン化します。
同様に、水中では酸性塩化水素はヒドロニウムイオンと塩化物イオンを形成します。
2つの溶液を混合すると、H
3お+
そしてOH−
イオンが結合して水分子を形成する:
等量の NaOH と HCl を溶解すると、塩基と酸が正確に中和され、溶液中には実質的に食塩であるNaCl だけが残ります。
酸のこぼれを中和するには、重曹や卵白などの弱塩基を使用する必要があります。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こぼれを中和すると、激しい発熱反応が起こる可能性があり、塩基自体が元の酸のこぼれと同じくらいの損傷を引き起こす可能性があります。
非水酸化物のアルカリ度
塩基は一般に、ある量の酸を中和できる化合物である。炭酸ナトリウムとアンモニアはどちらも塩基であるが、どちらの物質にもOHは含まれていない。−
両方の化合物は水などの
プロトン性溶媒に溶解するとH +を受け入れます。
このことから、塩基の水溶液の pH 、つまり酸性度を計算することができます。
塩基は、１つの電子対を所有することで他の原子の原子価殻に入り、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る。[7]分子に基本的な特性を与える能力を持つ原子を持つ元素は限られている。[7] 炭素は、窒素や酸素と同様に塩基として働くことができる。フッ素や稀ガスもこの能力を持つことがある。[7]これは典型的にはブチルリチウム、アルコキシド、金属アミド（例えばナトリウムアミド）などの化合物で起こる。共鳴安定化されていない炭素、窒素、酸素の塩基は通常非常に強い、つまり超塩基であり、水の酸性度のために水溶液中には存在できない。しかし共鳴安定化により、カルボキシレートなどの弱い塩基が可能になる。例えば酢酸ナトリウムは弱塩基である。
強塩基
強塩基は、酸塩基反応において、非常に弱い酸（水など）の分子からプロトン（H +）を除去（または脱プロトン化）できる基本的な化合物です。強塩基の一般的な例としては、NaOHやCa(OH)などのアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物が挙げられます。
2、それぞれである。溶解度が低いため、アルカリ土類金属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。[8]
この低い溶解性の利点の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。[9]溶解性が低く、水酸化物イオンの濃度の上昇を止めることができる化合物であり、口、食道、胃の組織への害を防ぎます。[9]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。[9]
強塩基は水中でほぼ完全に加水分解され、その結果、平滑化効果が生じる。」[7]この過程では、水の両性能力により、水分子が強塩基と結合し、水酸化物イオンが放出される。[7]非常に強い塩基は、水が存在しない場合でも、非常に弱酸性のC-H基を脱プロトン化することができる。 以下は、いくつかの強塩基のリストです。
これらの強塩基の陽イオンは、周期表の第一および第二グループ（アルカリ金属およびアルカリ土類金属）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、プロトン化されると非常に安定する特殊な種であり、過塩素酸や硫酸が非常に強い酸になる理由と類似しています。
ap K aが約 13 を超える酸は非常に弱い酸であると考えられ、その共役塩基は強塩基です。
スーパーベース
カルバニオン、アミドイオン、水素化物のグループ1塩は、安定した炭化水素、アミン、二水素である共役酸の極度の弱さのために、さらに強い塩基になる傾向があります。通常、これらの塩基は、共役酸にナトリウムなどの純粋なアルカリ金属を加えることによって生成されます。これらは超塩基と呼ばれ、水酸化物イオンよりも強い塩基であるため、水溶液中に保持することは不可能です（レベリング効果を参照）。たとえば、エトキシドイオン（エタノールの共役塩基）は、水の存在下で定量的にこの反応を起こします。[10]
一般的な超塩基の例は次のとおりです。
- ブチルリチウム（nC 4 H 9 Li）
- リチウムジイソプロピルアミド(LDA) [(CH 3 ) 2 CH] 2 NLi
- リチウムジエチルアミド（LDEA）（C
2H
5）
2NLi - ナトリウムアミド(NaNH 2 )
- 水素化ナトリウム(NaH)
- リチウムビス（トリメチルシリル）アミド [(CH
3）
3シ]
2NLi
最も強力な超塩基は気相でのみ合成されます。
- オルト-ジエチニルベンゼンジアニオン（C 6 H 4 (C 2 ) 2 ) 2−（これまでに合成された最強の超塩基）
- メタ-ジエチニルベンゼンジアニオン（C 6 H 4 (C 2 ) 2 ) 2−（2番目に強い超塩基）
- パラジエチニルベンゼンジアニオン（C 6 H 4 (C 2 ) 2 ) 2−（3番目に強い超塩基）
- ジエチニルベンゼンジアニオンが作られる前は、一酸化リチウムアニオン（LiO − ）が最も強力な超塩基であると考えられていました。
弱塩基
弱塩基とは、水溶液中で完全に電離しない塩基、またはプロトン化が不完全な塩基である。例えば、アンモニアは式[11]に従って水にプロトンを移動させる。
- NH 3 (水溶液) + H 2 O(l) → NH+
4(水溶液) + OH - (水溶液)
この反応の25℃での平衡定数は1.8 x 10 −5であり[ 12 ] 、反応の程度またはイオン化の度合いは非常に小さい。
ルイス塩基
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孤立電子対を持つ分子であり、受容体分子の低エネルギー空軌道と共有して付加物を形成できます。H +に加えて、可能な電子対受容体（ルイス酸）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ます。金属イオンを含む付加物は通常、配位錯体として説明されます。[13]
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、電気的ストレスの状態が発生します。[7]酸と塩基は、以前は塩基に属していた電子対を共有します。[7]その結果、高い双極子モーメントが生成され、分子を再配置することによってのみゼロに減らすことができます。[7]
堅固な基盤
固体塩基の例には以下のものがあります。
- 酸化物混合物：SiO 2、Al 2 O 3 ; MgO、SiO 2 ; CaO、SiO 2 [14]
- 固定塩基：シリカ上のLiCO 3 、アルミナ上のNR 3、NH 3、KNH 2 、アルミナ上のシリカ上に固定されたNaOH、KOH [14]
- 無機化学物質: BaO、KNaCO 3、BeO、MgO、CaO、KCN [14]
- 陰イオン交換樹脂[14]
- 900℃で処理された木炭、またはN 2 O、NH 3、ZnCl 2 -NH 4 Cl-CO 2で活性化された木炭[14]
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する能力に応じて、表面の塩基強度が決定されます。[15]「固体の単位表面積あたりの塩基部位の数」は、固体塩基触媒にどれだけの塩基強度があるかを表すために使用されます。[15]科学者は、塩基部位の量を測定する2つの方法を開発しました。1つは、指示薬を使用した安息香酸による滴定とガス酸吸着です。[15]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、酸性指示薬の色を共役塩基の色に変化させます。[15]ガス酸吸着法を実行するときは、一酸化窒素が使用されます。[15]次に、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部位を決定します。[15]
触媒としての塩基
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、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、メールヴァイン・ポンドルフ・フェルレイ還元、ミカエル反応、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な触媒になります。[15]
塩基の用途
- 水酸化ナトリウムは石鹸、紙、合成繊維レーヨンの製造に使用されます。
- 水酸化カルシウム（消石灰）は漂白剤の製造に使用されます。
- 水酸化カルシウムは、発電所や工場の排気ガスから発生する二酸化硫黄を除去するためにも使用されます。 [9]
- 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「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、また硬水を軟水化するために使用されます。
- 重炭酸ナトリウム（または炭酸水素ナトリウム）は、食品の調理時の重曹として、ベーキングパウダーの製造、消化不良を治す制酸剤として、またソーダ酸消火剤として使用されます。
- 水酸化アンモニウムは衣服の油汚れを落とすのに使われます
一塩基と多塩基塩基
化学式単位あたり1つのイオン化可能な 水酸化物イオン（OH − ）のみを持つ塩基は、1つのプロトン（H + ）を受け入れることができるため、一塩基と呼ばれます。化学式単位あたり1つ以上のOH-を持つ塩基は多塩基です。[16]
塩基の1つの化学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。 [17] [18]酸性度に基づいて、塩基は一酸、二酸、三酸の3つのタイプに分類できます。
一酸塩基
塩基の 1 つの分子が完全にイオン化して 1 つの水酸化物イオンを生成する場合、その塩基は一酸塩基または一塩基と呼ばれます。一酸塩基の例は次のとおりです。
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。
二酸塩基
1 つの塩基分子が完全にイオン化して 2 つの水酸化物イオンを生成する場合、その塩基は二酸塩基または二塩基塩基と呼ばれます。二酸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。
三塩基
1 つの塩基分子が完全にイオン化して 3 つの水酸化物イオンを生成する場合、その塩基は三酸塩基または三塩基塩基と呼ばれます。三酸塩基の例は次のとおりです。
用語の語源
ベースの概念は、「マトリックス」という 古い錬金術の概念に由来しています。
「塩基」という用語は、1717 年にフランスの化学者ルイ・レメリーが、パラケルススの古い用語「マトリックス」の同義語として初めて使用したようです。16 世紀のアニミズムに沿って、パラケルススは、天然の塩は、万能の酸または精子の成分が土のマトリックス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・ルーエルによるものとされています。... 1754 年にルーエルは、中性塩を、酸と、水溶性アルカリ、揮発性アルカリ、吸収性の土、金属、または油など、塩に「コンクリートまたは固体の形を与えることによって」塩の「塩基」として機能できる物質との結合によって生成される生成物であると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または「スピリット」でしたが、塩は本質的に結晶性の固体でした。したがって、酸を中和する物質が酸の揮発性またはスピリットを破壊し、結果として生じる塩に固体の特性 (つまり、具体的な塩基を与える) を与えると考えられていました。
— ウィリアム・B・ジェンセン、「基地」という用語の起源[19]
参照
参考文献
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外部リンク
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