アレニウス、ブレンステッド-ローリー、ルイスの定義
酸と塩基の研究は化学の基本です。時間の経過とともに、科学者たちは酸と塩基の振る舞いを説明するためにさまざまなモデルを開発してきました。主な3つのモデルは、アレニウスの定義、ブレンステッド-ローリーの定義、およびルイスの定義です。これらの理論のそれぞれは独自のアプローチと応用があります。この記事では、これらの定義のそれぞれについて詳しく見ていき、酸と塩基をどのように特徴づけるかを探り、いくつかの例と説明を提供します。
1. アレニウスの定義
酸と塩基を理解するための最初のフレームワークの1つが、スウェーデンの科学者スヴァンテ・アレニウスにちなんで名付けられたアレニウスの定義です。これは水中での水素イオン（H +）と水酸化物イオン（OH -）の生成に関する直接的な概念です。
アレニウス酸: アレニウス酸は、水に溶けるとH +イオンの濃度が増加する物質です。
アレニウス塩基: アレニウス塩基は、水に溶けるとOH -イオンの濃度が増加する物質です。
例:
塩酸 (HCl)
HCl (aq) → H⁺ (aq) + Cl⁻ (aq)
ここでは、塩酸が水中で解離して水素イオンを放出し、アレニウス酸の定義に従っています。
水酸化ナトリウム (NaOH)
NaOH (aq) → Na⁺ (aq) + OH⁻ (aq)
水酸化ナトリウムは水酸化物イオンを放出して解離し、アレニウス塩基として分類されます。
2. ブレンステッド-ローリーの定義
アレニウスの定義は効果的ですが、水溶液に限定されています。この限界を克服するために、デンマークのヨハネス・ニコラウス・ブレンステッドとイングランドのトーマス・マーティン・ローリーが1923年に独立して提案したより一般的な理論がブレンステッド-ローリーの定義として知られています。
ブレンステッド-ローリー酸: 他の物質にプロトン（H +）を供与できる物質です。
ブレンステッド-ローリー塩基: 他の物質からプロトン（H +）を受け取れる物質です。
例:
アンモニア (NH3) が塩基として作用
NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻
この平衡では、アンモニアは水分子からプロトンを受け取り、アンモニウムイオンを形成し水酸化物イオンを放出します。したがって、アンモニアはブレンステッド-ローリー塩基です。
ブレンステッド–ローリーの理論は、プロトンを与えることで形成されるコンジュゲート酸塩基対の概念を導入します。酸はプロトンを与えた後にコンジュゲート塩基を形成し、塩基はプロトンを受け取った後にコンジュゲート酸を形成します。
コンジュゲート酸塩基対:
塩酸 (HCl) が解離するとき、次のように水素イオンと塩化物イオンを形成します:
HCl + H₂O ⇌ H₃O⁺ + Cl⁻
この反応では、HClは酸であり、Cl⁻はそのコンジュゲート塩基です。同様に、H₂Oは塩基として作用し、H₃O⁺はそのコンジュゲート酸です。
3. ルイスの定義
1923年にギルバートN.ルイスによって提案されたルイスの定義は、水素イオンの存在に限定されない酸と塩基のより広い見解を提供します。この定義は電子対に基づいています。
ルイス酸: ルイス酸は電子対を受け取る物質です。
ルイス塩基: ルイス塩基は電子対を提供する物質です。
例:
三フッ化ホウ素 (BF3)
BF₃ + NH₃ → BF₃NH₃
この例では、三フッ化ホウ素がルイス酸として作用し、アンモニア中の窒素原子から電子対を受け取り、ルイス塩基として作用します。
ルイスモデルは水素イオンを含まない反応を理解するために特に有用であり、酸-塩基化学における電子対相互作用の役割を強調します。
モデルの比較
アレニウス、ブレンステッド-ローリー、ルイスのそれぞれの定義は、酸と塩基に対する理解に層を追加します。アレニウスモデルは水溶液および直接イオン放出に限定されていますが、ブレンステッド-ローリーおよびルイスの理論はより一般的な説明を提供します。
ブレンステッド–ローリー理論はプロトン移動を強調し非水環境にもコンセプトを拡張しますが、ルイス理論は電子対相互作用を強調し、より広範な化学反応に適用されます。
要約すると:
- アレニウス: 水中の
H⁺およびOH⁻イオンに焦点を当てます。 - ブレンステッド-ローリー: プロトン供与体および受容体の考えを拡張します。
- ルイス: 電子対の受容および供与に焦点を当てます。
各モデルのテキスト例
各モデルは以下のように一般的な酸–塩基反応を説明します:
アレニウスの例:
塩酸（HCl）と水酸化ナトリウム（NaOH）の反応:
HCl + NaOH → NaCl + H₂O
アレニウスの観点では、HClはH⁺イオンを供給し、NaOHはOH⁻イオンを供給し、水を形成します。
ブレンステッド-ローリーの例:
アンモニア（NH₃）と水の平衡反応:
NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻
アンモニアは塩基として作用し、水（酸）からプロトンを受け取り、アンモニウムイオンおよび水酸化物イオンを形成します。
ルイスの例:
アンモニアと三フッ化ホウ素の反応:
BF₃ + NH₃ → F₃B:NH₃
アンモニアは三フッ化ホウ素に電子対を提供し、ルイス相互作用を示します。
結論
アレニウスからブレンステッド-ローリー、ルイスへの酸と塩基のモデルを通じた旅は、化学的相互作用の理解が進化していることを明らかにします。それぞれの定義は、さまざまな文脈で酸と塩基の振る舞いを予測および説明する能力を向上させます。
これらのモデルは化学において不可欠なツールであり、学生や専門家が化学反応の微妙でさまざまな性質を理解するのに役立つ視点を提供します。これらの定義を採用することにより、私たちは化学の世界で原子、イオン、分子の複雑なダンスを探るための頑丈なフレームワークを得ることができます。
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