酸塩基 & pH 計算機

酸はプロトン（H⁺）の供与体、塩基はプロトンの受容体です — ブレンステッド・ローリーの定義で、このページのすべてのパネルで使います。酢（酢酸）は水にプロトンを渡し、アンモニアはプロトンを受け取ってアンモニウムになります。すべての酸は、プロトンを手放した後に残る種と対になっています。この対 — 酢酸 CH₃COOH と酢酸イオン CH₃COO⁻、アンモニウム NH₄⁺ とアンモニア NH₃ — が共役酸塩基対で、緩衝液と滴定の化学の全体は、この対の簿記です。

[H⁺] は電池液と排水管洗浄剤の間で 14 桁以上に及ぶため、化学者は圧縮します。pH = −log₁₀[H⁺]。水自体も常に少し解離し、25°C で [H⁺][OH⁻] = K_w = 1.0×10⁻¹⁴。だから pH + pOH = 14 です。片方を上げればもう片方が同じ量だけ下がります。中性とは単に [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ を意味し、それが pH 7 になるのは 25°C だけです。熱い純水は 7 をわずかに下回り、それでも完全に中性です。目盛りの確認として、pH 3.5（オレンジジュース程度の酸度）は [H⁺] = 3.16×10⁻⁴ mol/L に対応します。

HCl のような強酸はほぼ完全に解離します。水に注げば、ほぼすべての分子がプロトンを手渡します。弱酸は平衡に達します。HA ⇌ H⁺ + A⁻、K_a = [H⁺][A⁻]/[HA] で記述されます。酢酸は K_a = 1.8×10⁻⁵ で、普通 pK_a = 4.74 と引用されます（pH と同じ −log の手法）。便利な部分は対の規則です。共役対について K_a × K_b = K_w なので、より強い酸は自動的により弱い共役塩基を持ちます。弱い酢酸の相手である酢酸イオンは、K_b = 5.6×10⁻¹⁰（pK_b = 9.26）のとても弱い塩基です — 両方の変換は上の Ka & Kb パネルで動きます。

緩衝液とは、弱酸とその共役塩基が同程度の量で存在するものです。加えられた H⁺ は A⁻ が食べ、加えられた OH⁻ は HA が食べます。どちらでも比はほとんど動かず、だから pH もほとんど動きません。簿記は pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]) に集約されます。2 つの濃度が等しければ pH = pK_a ちょうどで、比が 10 倍変わるごとに pH はちょうど 1 動きます — 1:10 のサンプルボタンは、pK_a = 4.76 の酢酸緩衝液で pH 5.76 を与えます。信頼できる緩衝は pK_a ± 1（比 0.1–10）の範囲だけで、だから緩衝液選びは、目標 pH の近くに pK_a があるものを選ぶことです。血液が代表例です。炭酸水素塩/CO₂ の対が血漿を 7.35–7.45 に保ち、酵素はその窓の外では働きません。

酸に強塩基を加えると [A⁻]/[HA] 比が連続的に変わり、その曲線はヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を描いたものです。最初のうちは緩衝液が塩基を吸収し、pH は這うように動きます — 平らな領域です。当量点で塩基が酸のモル数とちょうど一致します。そこで曲線はほぼ垂直になり、だからその点が滴定の終わりを示します。中間点で [A⁻] = [HA] となり pH は pK_a に等しくなります — 曲線から pK_a を測る標準的な方法です。強酸 + 強塩基は pH 7 で出会いますが、弱酸 + 強塩基は 7 より上で終わります（既定の酢酸サンプルでは 8.7 近く）。フラスコに残るのが弱い塩基だからです。

• 強い＝濃い。違います。強さは酸がどれだけ完全に解離するか、濃度はそれがどれだけあるかです。0.001 M HCl は希薄な強酸、氷酢酸は濃い弱酸です。
• 中性は常に pH 7。そうなのは K_w = 10⁻¹⁴ の 25°C だけです。中性は [H⁺] = [OH⁻] を意味する、それだけです。
• pH は 0 と 14 で終わる。それは 25°C の水の目盛りの境界にすぎません。12 M HCl は pH 約 −1、濃 NaOH は 14 を超えます。
• 弱酸の pH ＝ 濃度の −log。その近道が成り立つのは強酸だけです。弱酸の pH には K_a も必要です。ほとんどの分子は解離しないからです。

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