純水中のヒドロニウムイオン濃度とpHの関係

純水中におけるヒドロニウムイオン（H₃O⁺）の濃度である 1.00×10⁻⁷ mol/L は、酸性や塩基性を判定する基準であるpHを計算する上で重要な値である。この記事では、純水中のイオン平衡、pHの中性値、化学反応の背景を詳しく解説する。

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純水におけるイオンの生成と平衡

水の自己解離反応とは？

水分子（H₂O）はごくわずかな確率で自己解離し、ヒドロニウムイオン（H₃O⁺）と水酸化物イオン（OH⁻）を生成する。この反応は以下の化学式で表される。

自己解離反応は平衡状態にあり、生成されるH₃O⁺とOH⁻の濃度は同じである。この平衡は温度によって変化するが、25℃（室温）では以下が成立する。

平衡定数（Kw）の役割

この平衡を記述するために水のイオン積（KwK_wKw​）が用いられる。

この値が一定であるため、H₃O⁺とOH⁻の濃度は互いに関連している。

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pHと中性の定義

pHの計算式

pHは水溶液のH₃O⁺濃度を対数的に表した値であり、以下の式で計算される。

純水の場合、[H₃O⁺]=1.00×10⁻⁷ mol/Lであるため、pHは以下のように計算される。

これが「中性」の基準である。

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ヒドロニウムイオン濃度の変化とpHの影響

酸性・塩基性の判定

水溶液中のH₃O⁺濃度が 1.00×10⁻⁷ mol/L を超える場合、pHは7未満となり酸性と判定される。一方、H₃O⁺濃度がそれより低い場合はpHが7を超え、塩基性となる。

温度の影響

水の自己解離は温度依存性があり、高温ではK_w​が増加する。このため、25℃以外では中性のpHが7とは限らない点に注意が必要である。

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化学反応の視覚的理解

画像のように、水分子は部分的な電荷を持つ極性分子であり、他の水分子との間で水素結合を形成する。この特性が、自己解離反応を可能にしている。また、生成されるH₃O⁺は水素イオン（H⁺）を結合させた構造として表される。図はこのプロセスを分子レベルで視覚的に示している。

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練習問題と解説

問題1: 純水のpHを計算せよ

25℃でのH₃O⁺濃度を 1.00×10⁻⁷mol/L として、pHを求めよ。

解答:

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問題2: H₃O⁺濃度が 1.00×10⁻⁶mol/L の水溶液のpHを求めよ。

解答:

酸性である。

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問題3: OH⁻濃度が 1.00×10⁻⁸ mol/L の水溶液のH₃O⁺濃度とpHを求めよ。

解答:
水のイオン積を用いてH₃O⁺濃度を求める。

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