水素イオン濃度と pH
酸性・塩基性の強さを数値で表すのが pH (水素イオン指数) です。日常から実験まで広く使われます。
基本知識
水のごく一部はつねに電離していて、25 ℃ では:
[H+][OH-] = 1.0×10-14 (mol/L)2 (水のイオン積 Kw)
純水では [H+] = [OH-] = 1.0×10-7 mol/L で中性。
pH は次のように定義されます:
pH = -log10[H+]
つまり [H+] = 1.0×10-n mol/L ならpH = n。
・pH < 7: 酸性 ([H+] が大きい)
・pH = 7: 中性
・pH > 7: 塩基性 ([H+] が小さい)
pH が 1 小さくなると [H+] は 10 倍に増えます。
水のイオン積（Kw = [H+][OH-] = 1.0×10-14 (25 ℃)）
pH（pH = -log[H+]。水素イオン指数）
中性（pH = 7。[H+] = [OH-] = 10-7 mol/L）
指示薬（pH に応じて色が変わる。リトマス・BTB・フェノールフタレイン）
BTB 溶液（酸性=黄、中性=緑、塩基性=青）
フェノールフタレイン（塩基性で赤、変色域 pH 8.3〜10）
深掘り (背景・意義)
pH 計算の基本例:
・0.10 mol/L HCl (1価強酸、α=1): [H+] = 0.10 = 1.0×10-1 → pH = 1
・0.0010 mol/L HCl: [H+] = 1.0×10-3 → pH = 3
・0.10 mol/L NaOH (1価強塩基): [OH-] = 0.10 → [H+] = 1.0×10-13 → pH = 13
身近な例: 胃液 pH ≒ 1〜2、レモン汁 pH ≒ 2、雨水 pH ≒ 5〜6 (CO2 溶解)、海水 pH ≒ 8、石鹸水 pH ≒ 10、漂白剤 pH ≒ 12。
pH 試験紙、BTB 溶液、pH メーターなどで測定できます。
- pH = -log[H+]
- [H+] = 10-n なら pH = n
- 純水・中性で pH = 7 (25 ℃)
- pH が 1 小さい = [H+] が 10 倍
- Kw = [H+][OH-] = 10-14
- 強塩基: [OH-]→[H+] へ換算してから pH
- BTB: 酸性=黄, 中性=緑, 塩基性=青
注意点 (混同しやすい)
① 強酸・強塩基は α ≒ 1 として濃度をそのまま使えるが、弱酸・弱塩基は電離度を考慮しないと pH は出ない。② 塩基性で [H+] を求めるときは Kw = 10-14 を経由。③ pH は整数だけでなく小数もありえる (例: pH 2.5)。④ 低 pH = 強い酸性、高 pH = 強い塩基性。逆にしない。
練習
- 0.010 mol/L の HCl 水溶液の pH を求めなさい。
- 0.10 mol/L の NaOH 水溶液の pH を求めなさい。
- 純水の [H+] と [OH-] を答えなさい。(25 ℃)