２００４年１２月１日（水） 04ko1-20 酸性・塩基性の強さ
 中学校では，純粋な水は電流を通さないと習いましたね。確かに，中学校で使う電流計では，ほとんど針は振れません。しかし，本当に電流を通さないのでしょうか。ドイツのコールラウシュＷ．Ｇ．Ｋｏｈｌｒａｕｓｃｈという物理学者は，特別の蒸留装置を使って，空気やガラスに触れさせないように数十回蒸留をくり返し，その純粋について調べたそうです。彼の最後の言葉？「それでも水は電気を通す」。彼のつくった水は，有史以来最も純粋な水であると考えられています。   今日の勉強の具体的内容は， （１）水のイオン積 （２）水素イオン濃度と液性 （３）ｐＨ です。 ｐＨは日常よく聞く言葉ですが，この機会にきちんと理解しておきましょう。 |
 １５ 酸性・塩基性の強さ （１） 水のイオン積 純粋な水はごくわずかに電離している Ｈ２Ｏ ⇔ Ｈ＋ ＋ ＯＨ− ［Ｈ＋］［ＯＨ−］ Ｋ ＝―――――― ［Ｈ２Ｏ］ ［Ｈ＋］［ＯＨ−］＝Ｋ ［Ｈ２Ｏ］＝Ｋ w （水のイオン積） Ｋ ｗ ＝１．０×１０−１４〔（ｍｏｌ/ｌ ）２〕（２５℃） Ｋ ｗ の値は高温ほど大きくなる  |
なお，［Ｈ＋］は水素イオン濃度，［ＯＨ−］は水酸化物イオン濃度，［Ｈ２Ｏ］は水の濃度を表しています。水のイオン積は，温度のよって次のように変わります。普通は，２５℃の値を使うようです。
水のイオン積から，水素イオンの濃度と水酸化物イオンの濃度の積が一定で，それが１．０×１０−１４〔（ｍｏｌ/ｌ ）２〕であるということがわかります。したがって，酸性だから水酸化物イオンが存在しない，塩基性だから水素イオンが存在しないということにはなりません。では，どう考えたらよいのでしょうか。 中性のときは，水素イオンの濃度と水酸化物イオンの濃度が等しくなっているのです。どちらも存在していて，その濃度はそれぞれ１．０×１０−７〔ｍｏｌ/ｌ 〕なのです。酸性とは，中性のときより水素イオンの濃度が大きくなっているはずですから，その濃度は１．０×１０−７〔ｍｏｌ/ｌ 〕よりも大きくなっています。もちろん，水酸化物イオンの濃度は，１．０×１０−７〔ｍｏｌ/ｌ 〕よりも小さくなっています。 また，水素イオンの濃度が大きければ大きいほど，強い酸性であるといえます。また，水酸化物イオンの濃度が大きければ大きいほど，強い塩基性であるといえます。  |
（２） 水素イオン濃度と液性 ［Ｈ＋］［ＯＨ−］＝Ｋ ｗ Ｋ ｗ １．０×１０−１４ ［Ｈ＋］＝―――――＝―――――― 〔ｍｏｌ/ｌ 〕 ［ＯＨ−］ ［ＯＨ−］ ［Ｈ＋］＝［ＯＨ−］＝√Ｋ ｗ =１．０×１０−７ 酸性のとき ［Ｈ＋］＞１．０×１０−７ｍｏｌ/ｌ ＞［ＯＨ−］ 塩基性のとき ［Ｈ＋］＜１．０×１０−７ｍｏｌ/ｌ ＜［ＯＨ−］ |
| そこで，いよいよｐＨの登場です。まず，読み方ですが，現在では英語読みが主流です。教科書にもピーエイチと書いてありますね。以前はペーハーとよんでいました。授業では，ピーエイチとよぶようにしましょう。 ｐＨはデンマークのソレンセンが１９０９年に考案したものであるといわれていますが，ｐＨは何の頭文字であるかは，いろいろ説があるようです。その中で，最も有力な説が，ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎです。日本語では，水素イオン指数と訳されています。 数学で対数を勉強しているでしょうか。まだでしたら，少し厳しいですね。詳しいことは，数学で扱うと思いますが，とりあえず必要なことだけ紹介しましょう。  |
（３） ｐＨ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ 水素イオン指数 中性のとき ［Ｈ＋］＝１．０×１０−７ 〔ｍｏｌ/ｌ 〕 小数 → 指数 → 対数 → −対数 ０．００００００１０ １．０×１０−７ −７ ７ ｐＨ＝ｌｏｇ１０1/［Ｈ＋］＝−ｌｏｇ１０［Ｈ＋］ ［Ｈ＋］＝１．０×１０−７〔ｍｏｌ/ｌ 〕のとき ｐＨ＝−ｌｏｇ１０［Ｈ＋］ ＝−ｌｏｇ１０１．０×１０−７ ＝−（ｌｏｇ１０１．０＋ｌｏｇ１０１０−７） ＝−（ｌｏｇ１０１．０−７ｌｏｇ１０１０） ＝−（０−７） ＝７ ［Ｈ＋］＝１．０×１０−ｘ〔ｍｏｌ/ｌ 〕のとき ｐＨ＝−ｌｏｇ１０［Ｈ＋］ ＝−ｌｏｇ１０１．０×１０−ｘ ＝−（ｌｏｇ１０１．０−ｘ７ｌｏｇ１０１０） ＝ｘ ［ＯＨ−］＝１．０×１０−１〔ｍｏｌ/ｌ 〕のとき ［Ｈ＋］＝１．０×１０−１４/［ＯＨ−］ ＝１．０×１０−１４/（１．０×１０−１） ＝１．０×１０−１３ ｐＨ＝１３ |
０．１０ｍｏｌ/ｌ の塩酸の電離度α＝１とすると，［Ｈ＋］＝０．１０mol/ｌ だから，ｐＨ＝１．０×１０−１＝１になりますね。では，この塩酸を，水で１０倍の体積になるようにうすめると，ｐＨはいくらになるでしょうか。単純に考えて，体積が１０倍で物質量は変わらないからモル濃度は１/１０のはずです。このときの電離度α＝１とすると，［Ｈ＋］＝０．０１０mol/ｌ だから，ｐＨ＝−ｌｏｇ１０１．０×１０−２＝２になりますね。 では，水で１０倍に薄めるという操作をくり返していくと，そのときのｐＨは，３，４，５，６，７，８，と変化していくのでしょうか。ちょっとまってください。ｐＨ８とは塩基性です。塩酸をどんどん薄めていくと，水溶液は塩基性になるなんて，聞いたことありませんね。どのように考えたらよいのでしょうか。 いま，塩酸の濃度を１．０×１０−８ｍｏｌ/ｌ としましょう。この塩酸の電離度α＝１とすると，塩酸の電離による［Ｈ＋］＝１．０×１０−８ｍｏｌ/ｌ です。ところで，溶媒の水も電離していましたね。この水の電離による［Ｈ＋］＝［ＯＨ−］＝ｘ ｍｏｌ/ｌ とします。すると，塩酸の電離によるイオンと水の電離によるイオンをあわせると，［Ｈ＋］＝１．０×１０−８＋ｘ 〔 ｍｏｌ/ｌ 〕であり，［ＯＨ−］＝ｘ 〔 ｍｏｌ/ｌ 〕です。したがって，Ｋｗ ＝［Ｈ＋］［ＯＨ−］＝（１．０×１０−８＋ｘ）×ｘ ＝１．０×１０−１４になるのです。 ２次方程式になってしまいましたが，ｘ ＝０．９５×１０−７となり，［Ｈ＋］＝１．０×１０−８＋０．９５×１０−７≒１．１×１０−７になります。決して，ｐＨが７を超えることはありません。  それでは，今日の学習内容の確認です。 １．２５℃のとき，水のイオン積はいくらですか？→１．０×１０−１４〔（ｍｏｌ/ｌ ）２〕 ２．［Ｈ＋］＝１０−ｘ〔mol/ｌ 〕のとき，ｐHはいくらですか？→ｘ ３．ｐHが１だけ小さくなると，［Ｈ＋］はどれだけ大きくなりますか？→１０倍 |