水素イオンの量を基に作られたpHの定義

pH 4とpH 7では、水素イオンの数が10³ = 1000倍も違う

pHは液体中の水素イオンの濃度を表します。水溶液にどれだけの水素イオンが含まれているかによって、pHの値が決まります。たとえば水（H₂O）のごく一部には、水素イオン「H⁺」と水酸化物イオン「OH^-」という電気を帯びたイオンが存在しています。水素イオンが多い場合が酸性、水酸化物イオンが多い場合がアルカリ性です。水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度をかけ合わせると、温度が一定であればどのような水溶液でも常に一定の値（10^-14）になることがわかっています。水素イオンが増えると、それに応じて水酸化物イオンが減ることに起因します。つまり水素イオンの数をはかれば水酸化物イオンの数もわかるというわけです。

pHの数値は、1リットルの溶液に含まれている水素イオンの数にそのまま対応しています。pH 7の中性は、両者の数が10^-7モル、つまり0.0000001モルで等量。7より小さいと水素イオン優勢の酸性、7より大きいと水酸化物イオン優勢のアルカリ性です。理論的には0ならば水素イオン、14なら水酸化物イオンがいっぱいいっぱいの状態ということになりますね。pH 4ならば10^-4=0.0001モル、pH 2ならば10^-2=0.01モルの水素イオンが含まれており、pH 4とpH 2では水素イオン数に2倍ではなく100倍の差があります。ちょっとしたpHの変化でも、水溶液の性質は大きく変化するのです。

見直されたpHの定義、キーワードは「活量」

ここまでの説明はpHの考案者・セーレンセンの定義によるものです。その後、pHは水素イオンの濃度ではなく、水素イオンの活量に関係のあることがわかってきました。活量とは“その固有の性質を発揮できる”量のことです。では水素イオンの活量とは何なのでしょうか。例を挙げてご説明します。

容器の中にビー玉が1個入っていると考えてください。容器内にはビー玉が1個しか入っていないので、このビー玉は自由に動くことができます。しかしビー玉が2個、3個……と増えていくにしたがって、それぞれのビー玉の動きは制限されるようになってきます。ビー玉同士がぶつかることもあるでしょうし、ビー玉が増えれば増えるほど動きにくくなるからです。ここでこの制限の度合いをfで表現すると、制限の度合い（f）×容器内のビー玉の数が、“自由に動ける玉が何個あるか”に対応しています。

この例を水溶液の水素イオンに置き換えてみます。ビー玉は水素イオン(H⁺)、玉の数は水素イオン濃度（[H⁺]）、自由に動けるビー玉が何コ存在しているかが、水素イオン活量になるわけです。また f は、専門用語で「活量係数」と言います。現在、pHはこの活量を考慮して補正された数値が使われるようになっています。

 暮らしに深く関わるpHのチカラ

分析の世界でpHが重視されるのは、pHの値によってその液体と他の物質との反応の仕方が変化するためです。つまり液体や物質の性質を決める、重要な要素である、ということ。もちろん土や食物など“水分”を含むものも、pHがその性質を左右しますし、水なしでは生きられない生物にとってもpHの変化は重大です。

植物が育つ土のpHは、リンゴやイネが5.0～6.5、モモやナシが6.0～7.5と、それぞれ好みがあるようです。そのため、農家では土のpHを肥料などで調整して作物を育てます。私たちが日常的に食しているパン・酒・ビール・醤油・味噌・チーズ・乳酸飲料といった、酵素が持つ酸性のはたらきを利用して製造する食品では、pH測定が欠かせません。酵素の働きはpHに影響され、それぞれの酵素が一定のpHにおいて、最も効率よく発酵が行なわれるからです。この他にも工業や医療など、pHを「はかる」ことが重要な意味をもつ場面は多岐にわたります。pHを「はかる」ことは普段、私たちの生活では見えにくいことですが、暮らしを支える“縁の下の力持ち”だと言えます。

私たちの生活とは決して切り離すことができないpH。そして、分析の世界では絶対不可欠な基本の指標です。お肌の性質から、地上に降り注ぐ雨まで。pHを知ることで、きっと暮らしが見えてきます。

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pHの基本、酸性とアルカリ性

pHは日本語で「水素イオン指数（または水素イオン濃度指数）」と呼ばれ、酸性・アルカリ性の度合いをあらわす単位です。pはパワー（指数）、Hは水素をあらわしており、0から14までの数値で表されます。中間値のpH 7が中性で、低い値を酸性、高い値をアルカリ性と呼びます。pHの考案者はデンマークの科学者・セーレンセン。彼がデンマーク人だったため、デンマーク流に「ペーハー」と読まれることも多いのですが、1957年のJIS（日本工業規格）化を経て現在では「ピーエッチ」に統一されました。一般的にはどちらの読み方でも通じます。

私たちの身近なものでpHをはかってみると、水道水がおよそ6.5、海水は8.0～8.5程度。そのほかにも普段口にする飲み物のほとんどは、中性よりやや酸性になっているものが多いです。夏場の気温が高い時期に、“ペットボトル飲料を飲みかけのまま長時間放置すると細菌が増えて危険”というニュースがありました。水・お茶などは中性に近く、細菌が繁殖しやすいので傷みやすいと言われています。逆にスポーツ飲料はpH 3.0～4.0と酸性で雑菌の繁殖を防ぐ作用があるため、常温でも傷みにくいのです。一方で酸性が強い食べものや飲みものは、歯を溶かしやすいということも知られていますよね。

目で見るpH

みなさんはpHをはかった経験がありますか？　おなじみなのはやはり、リトマス試験紙でしょう。ちなみにリトマスとは苔の名前。試験紙に使われる試薬が、地中海地方のリトマス苔から作られることに由来します。酸性では青色の試験紙が赤く、アルカリ性では赤色の試験紙が青く変わるというリトマス試験紙の実験は、理科嫌いの人でも覚えているはず。このリトマス試験紙を使った測定はあくまでも大雑把な酸性・アルカリ性の判定方法で、pHが5程度より低い酸性か、8程度より高いアルカリ性でしか反応しません。

リトマス試験紙の他にもpHをはかる方法はたくさんあります。“万能試験紙”はpHに応じて14段階で色が変化し、リトマス試験紙よりもはるかに詳しくはかることができます。高校の化学の実験などでも使われる“BTB溶液”は、3段階で性質を示すことが可能。酸性を示すと黄色になり、中性で緑に、アルカリ性を示すと青へと変色する仕組みです。ほかにもpH 10以上でアルカリ性を示すと赤紫色に変色する“フェノールフタレイン溶液”、酸性から中性に変化するにつれて黄色から赤へ変色する“メチルオレンジ”などなど。指示薬ごとに反応する範囲が違うため、さまざまな用途に応じて正確なpHの値を調べることができます。

pHのこと、少し思い出していただけたでしょうか？　自然界では、アジサイの花の例もあります。アジサイの花の色は土壌のpHと関連があり、pH 4.5～5の酸性土壌では青色が強く、酸性が弱くなるにつれて赤みを帯びてきます。リトマス試験紙とは赤・青の関係がちょうど反対の関係になっている、と覚えてくださいね。

後編ではさらに詳しく、pHの成り立ちを見ていきましょう。

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