高校化学基礎 酸と塩基の強弱—電離の程度と放出できる数を分けて読む｜武蔵野個別指導塾

二価の酸が必ず強酸とは限らない理由を、電離度の計算と粒子の数え方からたどり、酸と塩基の強弱を見直す。

よくあるのは、二価の酸という文字を見て、必ず強酸だと判断し、分類表の続きを書けなくなる場面です。数字が大きいと作用も強そうに見えますが、ここでの2は1個あたりに出せる水素イオンの数を表します。強弱は水中でどの程度電離するかを表す別の見方です。両方を同じ物差しに乗せず、何を数えた数字なのかから読み直しましょう。

問題文で探す2種類の情報

定期テストでは、まず物質名や化学式を見て、強酸か弱酸か、一価か二価かをそれぞれ分類する型があります。例えば塩酸と炭酸では、強弱と価数の両方の欄を埋めます。強いという言葉から価数を推測するのではなく、各物質についてそれぞれの性質を確認します。

次に、溶かした粒子のうち何個が電離したかを読み、電離度を求める型があります。分母は最初に溶かした粒子の数、分子はそのうち電離した粒子の数です。分子に生成したイオンの総数を入れると、1個から複数のイオンが生じる場合に数えすぎます。

さらに、濃度と電離度を与えて、電離した物質や生じたイオンの量を求める型もあります。価数と電離度を掛ける前に、問題の条件が各粒子から何個のイオンを生じると指定しているかを確かめます。多価の酸には段階的な電離があるため、価数だけから途中のイオンの量は決まりません。ここでは指定された粒子数と電離度を用い、電離定数や平衡計算には進みません。

価数と電離度は何を数えるか

酸の価数は、酸1分子が放出できる水素イオン H⁺ の数です。塩基の価数は、塩基1分子または式量に対応する1単位が受け取ることのできる H⁺ の数で考えます。水酸化物では、1単位から生じる OH⁻ の数と対応します。OH⁻ 1個は H⁺ 1個を受け取れます。アンモニア NH₃ は式中に OH を含みませんが、H⁺ を1個受け取る一価の塩基です。

強弱は水溶液中での電離の程度によって分けます。強酸や強塩基は水中でほぼ完全に電離し、弱酸や弱塩基は一部が電離します。電離度は、溶かした粒子のうち電離した粒子の割合です。0から1までの数で表し、1に近いほど電離した割合が大きいことを意味します。電離度には単位がありません。

図1のように、価数は1粒子についての個数、電離度は最初に溶かした粒子全体に対する割合です。模式図の1粒子を拡大して数える問いと、集団の中で電離したものを数える問いは別です。電離度を百分率で求めるときは、割合に100を掛けて % を付けます。例えば電離度0.4は40 %を意味しますが、これだけでは価数は決まりません。

代表的な分類を整理すると、塩酸 HCl は一価の強酸、硫酸 H₂SO₄ は二価の強酸、酢酸 CH₃COOH は一価の弱酸、炭酸 H₂CO₃ は二価の弱酸です。水酸化ナトリウム NaOH は一価の強塩基、水酸化カルシウム Ca(OH)₂ は二価の強塩基、アンモニアは一価の弱塩基です。これらの強弱は式中の水素や OH の個数だけで判定できません。酢酸の式には複数の H がありますが、酸として放出できる H⁺ は1個です。

なお、強弱と濃淡も異なります。濃度は一定体積の溶液に溶けている物質の量を示し、強弱は電離の程度に関わります。薄い強酸と濃い弱酸を比べても、強酸という名称だけから溶液中の H⁺ の濃度が必ず大きいとは決められません。

基本例題：電離した粒子の割合

ある一価の弱酸 HA を水に溶かしたところ、溶かした HA 200個のうち30個が電離したとします。電離した HA 1個から H⁺ 1個と A⁻ 1個が生じるものとします。電離度を小数で、電離せずに残った HA と生成した H⁺ の数をそれぞれ整数で求めてください。水自身から生じるイオンは数えません。

電離の様子は、次の式で表せます。

HA → H⁺ + A⁻

まず電離度の分母に、溶かした HA の200個を置きます。電離した HA は30個ですから、分子は30です。

電離度 = 30 ÷ 200 = 0.15

残った HA は、最初の個数から電離した個数を引きます。

残った HA = 200 − 30 = 170個

電離した HA 1個につき H⁺ が1個生じるので、生成した H⁺ は30個です。同時に A⁻ も30個生じます。H⁺ と A⁻ の電荷はそれぞれ正と負で、生成した全体の電荷はつり合っています。

図2のように、分母には残った170個ではなく、溶かした200個を使います。答えを戻してみると、200個の0.15倍は30個で、電離した30個と残った170個の和は200個です。さらに H⁺ と A⁻ は各30個で、電離した HA の数に対応します。割合と残数を別々に確認すると、分母を取り違えた計算も見つけられます。

「30個のイオンが生じた」と「30個の HA が電離した」は同じ条件ではありません。この例では電離した HA 30個から2種類のイオンが各30個、合計60個できます。合計60個を分子にすると電離度を0.30と誤ります。粒子の種類を式の脇に書いてから割り算に進みましょう。

分かれ目：二価の酸が段階的に電離するとき

二価の弱酸 H₂B を水に溶かし、最初の H₂B が100個あったとします。最初の段階でそのうち40個が H⁺ 1個と HB⁻ 1個に電離し、生じた HB⁻ のうち10個がさらに H⁺ 1個と B²⁻ 1個に電離したとします。水自身の電離は無視します。残る H₂B、HB⁻、B²⁻ と、両段階で生じた H⁺ の個数を整数で求めてください。また、最初の H₂B に対する最初の段階の電離度を小数で求めてください。

2段階を区別して書きます。

H₂B → H⁺ + HB⁻

HB⁻ → H⁺ + B²⁻

最初の段階で H₂B 40個が変化するので、残る H₂B は100 − 40 = 60個です。この段階で HB⁻ と H⁺ は各40個できます。次の段階では HB⁻ の10個が変化するので、残る HB⁻ は40 − 10 = 30個、B²⁻ は10個です。H⁺ は最初の40個に次の10個を足して50個になります。

最初の段階の電離度は、最初に溶かした H₂B を分母にするので、40 ÷ 100 = 0.4です。二価だからといって電離した40個から必ず H⁺ が80個生じるとは限りません。2個目の H⁺ を放出したのは、そのうち10個という条件だからです。

答えを元の粒子に戻すと、Bを含む粒子は60 + 30 + 10 = 100個です。水素についても、H₂B に120個、HB⁻ に30個、H⁺ に50個で合計200個となり、最初の H₂B 100個に含まれる水素200個に一致します。電荷は H⁺ の正50に対し、HB⁻ の負30と B²⁻ の負20がつり合います。最初の段階と次の段階を混ぜずに数えると、この収支が確認できます。

間違いをほどく3つの見直し

誤答「二価の炭酸は一価の塩酸より強い」は、価数の数字を強弱の順位に置き換えたことが原因です。炭酸は二価の弱酸、塩酸は一価の強酸です。まず価数の欄に放出できる H⁺ の数を書き、別の欄に電離の程度による強弱を書きます。片方からもう片方を推測しないことが修正の手順です。

図3のように、二価という情報から強弱への矢印は引けません。反例として二価の酸にも強酸と弱酸があることを確認し、判断に必要な性質をそれぞれの物質について押さえます。

誤答「電離度は電離したイオンの個数を全粒子数で割る」は、何が電離したかを見失った例です。出発物質の粒子を数える式に戻し、電離した出発物質の数を分子にします。できたイオンの数から逆算する場合は、出発物質1個あたり何個の対象イオンが生じるかを先に確認します。

誤答「弱酸なら常に H⁺ は少量だ」は、電離の割合と溶かした量を混同しています。電離度が小さくても、出発物質の量が異なれば生じる H⁺ の量も変わります。問題にある濃度、体積、電離度のどれを比べるのかを書き出し、与えられていない量を勝手に補わないようにします。

手を動かす問題

次の4問は、それぞれ独立した条件です。数えた粒子の種類と、割合の分母を意識して解いてください。

1. 硝酸HNO₃、臭化水素HBr、フッ化水素HF、硫化水素H₂Sを、酸の強弱と価数で分類してください。水溶液で硝酸と臭化水素は強酸、フッ化水素と硫化水素は弱酸とします。前の3種類は1分子からH⁺を1個、硫化水素は2個まで放出できます。各物質について強酸か弱酸かを選び、価数を整数で答えてください。
2. 一価の弱酸 HX を水に溶かしたところ、溶かした HX 500個のうち20個が電離しました。HX 1個から H⁺ 1個と X⁻ 1個が生じます。電離度を小数と百分率で、残った HX と生成した X⁻ を整数の個数で答えてください。水自身の電離は無視します。
3. 一価の弱塩基 D を水に溶かし、D 1個が電離すると1個の OH⁻ を生じるものとします。最初の D は400個で、生成した OH⁻ は12個でした。電離した D の個数と残った D の個数を整数で、電離度を小数で答えてください。他の原因で生じる OH⁻ は無視します。
4. 濃度0.20 mol/L の一価の弱酸 HY の水溶液が0.50 Lあります。HY の電離度は0.10で、電離した HY 1個から H⁺ 1個と Y⁻ 1個が生じるものとします。電離した HY と生じた H⁺ の物質量を、それぞれ mol を単位とする小数で求めてください。水自身の電離は無視します。

答えと確かめ

1. 硝酸と臭化水素はともに強酸で価数は1、フッ化水素は弱酸で価数は1、硫化水素は弱酸で価数は2です。強弱は問題文で指定された電離の性質から、価数は1分子が放出できるH⁺の個数から読みます。価数が1でも強酸と弱酸があるため、価数と強弱を同じ尺度にはできません。

2. 電離度は20 ÷ 500 = 0.04、百分率では0.04 × 100 = 4 %です。残った HX は500 − 20 = 480個、X⁻ は20個です。500個の4 %は20個で、残った480個と合わせると元の500個に戻ります。生成した H⁺ と X⁻ は各20個なので、電荷もつり合います。もし分母を480個にすると、出発した粒子全体に対する割合ではなくなります。

3. D 1個から OH⁻ が1個生じる条件なので、電離した D は12個です。残った D は400 − 12 = 388個、電離度は12 ÷ 400 = 0.03です。400個の0.03倍は12個で、12個と388個の和は最初の400個です。OH⁻ が2個生じるという別の条件を勝手に使うと、逆算する個数が変わってしまいます。

4. 最初の HY の物質量は、濃度に溶液の体積を掛けて、0.20 mol/L × 0.50 L = 0.10 mol です。このうち電離する割合が0.10ですから、電離した HY は0.10 mol × 0.10 = 0.010 molです。1対1で生じる H⁺ も0.010 molです。残った HY は0.090 molで、電離した分と合わせると0.10 molに戻ります。また、0.010 mol の H⁺ と同量の Y⁻ が生じるので、生成したイオンの電荷はつり合います。ここで0.50 Lは溶液の体積であり、溶媒だけの体積ではありません。

問題文に電離度が与えられていない場合、価数だけを使って電離した割合を計算することはできません。反対に電離度が与えられていても、生成するイオンの個数を出すには、電離の式や各段階の条件が必要です。条件が足りないときは、知っている数値を無理に掛け合わせず、どの対応が不足しているかを示します。数値の計算ができる場合も、答えを最初の粒子数へ戻し、電離した分と残った分の合計を確認してください。

手元に残す要点

価数は1粒子が放出または受け取ることのできる H⁺ の数です。 強弱は水中での電離の程度に関わり、価数とは別です。 電離度は電離した出発物質の粒子数を最初の粒子数で割ります。 多価の酸では、各段階の条件を確かめてイオンを数えます。

どこで止まったかを見つける

分類で迷ったら、まず「強い」と「二価」が答える問いを口に出してみてください。どちらも数字の大きさの話に聞こえる場合は、1粒子あたりの個数と集団に占める割合を紙の別々の場所に書くと区別できます。物質の名前は言えるのに式から価数を誤る場合は、式中の H の総数と放出できる H⁺ の数を同一視していないかを調べます。

個別指導で確認するときは、電離前の粒子を丸で表し、電離したものに印を付けて、電離度の分母と分子を指で示せるかを確かめます。次に、できたイオンを別の記号で書き加え、粒子数と電荷がどう対応するかを説明します。計算結果が合っていても、分母を残った粒子にした理由を説明しているなら、割合の出発点に戻る必要があります。価数と電離度の対象を言葉にできれば、初めて見る条件でも数える順序を選べます。