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用語・成分解説 ～ pH編 ～
小学校ではリトマス試験紙で酸性/アルカリ性の判断をするという実験を行いましたが、水溶液が酸性・中性・アルカリ性のどの状態にあるかを数値で示したものがpHです。
分析の現場で日々サンプルと向き合っていると、学校教育で教わった範囲を大きく飛び越えて数値を取り扱う場面に出くわすことがあります。
そもそも酸性・アルカリ性とは何なのでしょうか。
水は全てH2Oの状態で存在しておらず、水素イオン(H＋)と水酸化物イオン(OH－)にわずかに電離しています。
H2O ⇌ H＋ ＋ OH－
この水素イオンの濃度[H＋]と水酸化物イオンの濃度[OH－]の積[H＋][OH－]は、温度が一定ならば常に一定になり、25℃において[H＋][OH－]＝1.0×10-14(mol/L)2です。
水溶液中の水素イオンが増えれば水酸化物イオンが減り、水酸化物イオンが増えれば水素イオンが減るという関係にあるため、この水素イオンと水酸化物イオンのどちらが多いかで酸性・中性・アルカリ性が決まります。
- 酸性：水素イオン濃度[H＋] > 水酸化物イオン濃度[OH－]
- 中性：水素イオン濃度[H＋] ＝ 水酸化物イオン濃度[OH－]
- アルカリ性：水素イオン濃度[H＋] < 水酸化物イオン濃度[OH－]
希薄溶液において、この水素イオン濃度[H＋]をmol/Lの単位で表した数値の逆数の常用対数がpHにほぼ等しいとされており、以下の式で定義されます。
pH≒－log10[H+]
中性の時は[H＋]＝[OH－]なので[H＋][OH－]＝[H＋]2＝1.0×10-14(mol/L)2となり、
[H＋]＝1.0×10-7(mol/L)からpH7となるわけです。
この式の定義により、水素イオン濃度が1.0×100(mol/L)＝1.0 mol/Lの時にpH0となり、その濃度を超えると、計算上pHはマイナスになります。あくまでもpHは希薄な溶液の為に設けられた基準なのです。
実験室内では、濃塩酸や濃く調製した水酸化ナトリウム水溶液において0～14の範囲を逸脱したpHが観測されますし、自然界では1990年代に、アメリカ・カリフォルニア州の鉱山排水でpH −3.6という極端な値が観測されたそうです。
また、100％硫酸より強い酸は一般的に超酸と呼ばれており、その代表例に五フッ化アンチモン（SbF₅）とフッ化水素（HF）を1：1で混合したフルオロアンチモン酸があります。これは硫酸より遥かに水素イオンを解離しやすく、その高い反応性から通常のプラスチックやガラスの容器では保存できません。
最後に、身近な現象でpHが影響を与えている例として、アジサイの花の色を挙げてみます。
アジサイの色は、土壌のpHによって変化します。
- 酸性の土壌では青色
- 中性〜弱アルカリ性では赤色
これは、アジサイの花に含まれるアントシアニン色素が、土壌中のアルミニウムイオンと結合するかどうかで色が変わるためです。酸性土壌ではアルミニウムが溶けやすく、アントシアニンと結合して青色を呈します。逆にアルカリ性ではアルミニウムが溶けにくく、赤色が強くなります。
庭先のアジサイの色が変わる背景にも、pHという化学の基本原理が影響しているのです。
こうした背景を踏まえると、pHは単なる数値ではなく、溶液の性質・反応性・安定性を読み解くための重要なファクターであることがわかります。
今回はpHの定義、超酸、そしてアジサイの色の変化を紹介しました。
私たちはこの様な基礎知識を大切にし、これからも正確で信頼性の高いデータを提供していきます。
