ペーハー（ＰＨ）の仕組みがよくわかりません

Question

高校時代、化学をサボっていた馬鹿です。
超初歩的な質問ですみません。

ＰＨは水素イオン濃度のことで、ＰＨ７より低いのは酸性、高いのはアルカリ性とのこと。

水素イオンが多いほうが酸性ということなのでしょうか？

また、酸性かアルカリ性かになぜ水素イオンの数が関係あるのですか？

また、『ＣＯ2（二酸化炭素）が多いとＰＨが下がる』そうですが、Ｈの原子記号１個も入ってないのになぜに酸性なのでしょうか？

sanori · Accepted Answer

こんにちは。

＞＞＞水素イオンが多いほうが酸性ということなのでしょうか？

そうです。

＞＞＞また、酸性かアルカリ性かになぜ水素イオンの数が関係あるのですか？

そうです・・・というか、すでに上の質問で「水素イオンが多いほうが酸性」と言っちゃってます。

＞＞＞また、『ＣＯ2（二酸化炭素）が多いとＰＨが下がる』そうですが、Ｈの原子記号１個も入ってないのになぜに酸性なのでしょうか？

まず、ＣＯ2　が　Ｈ2Ｏ　と結合して炭酸（Ｈ2ＣＯ3）ができて、次に１～２個の水素イオンが出ます。
ＣＯ2　＋　Ｈ2Ｏ　⇔　Ｈ2ＣＯ3　⇔　Ｈ+　＋　ＨＣＯ3-　⇔　２Ｈ+　＋　ＣＯ3 2-

では、「ｐＨとは何ぞや」について説明します。
まず、どんな水、水溶液であっても、Ｈ+ とＯＨ- は必ず存在します。

ある会場に男（Ｈ+）と女（ＯＨ-）がそれぞれ多数いるとします。
会場で出会った男女は一定の確率で結婚し、結婚した夫婦は一定の確率で離婚するとします。
男の数を２倍にすると、それぞれの女に出会う男の数が２倍になるので、結婚が起こる頻度が２倍になります。
男の数を５分の１にすると、それぞれの女に出会う男の数が５分の１になるので、結婚が起こる頻度が５分の１になります。
同じことが、女の数についても言えます。
つまり、結婚の頻度は男の数にも女の数にも比例することになります。
Ｈ+　＋　ＯＨ-　⇒　Ｈ2Ｏ
の反応速度がＨ+ の濃度にもＯＨ- の濃度にも比例するということです。
化学では、ある物質の濃度のことを、［物質名］　というふうに［　］で囲んで表記します。
Ｈ2Ｏができる頻度　＝　ｋ1［Ｈ+］［ＯＨ-］　　（ｋ1は比例定数）　　・・・（あ）
※　［Ｈ+］［ＯＨ-］というのは、水素イオン濃度かける水酸化物イオン濃度　のことです。

一方、離婚の頻度は、単純にＨ2Ｏの濃度に比例します。
つまり、
Ｈ2Ｏ　⇒　Ｈ+　＋　ＯＨ-
の反応速度は、
Ｈ2Ｏが解離する頻度　＝　ｋ2［Ｈ2Ｏ］　　（ｋ2は比例定数）　　・・・（い）

最初に夫婦が多すぎると、夫婦が少なくなるように離婚が進みます。
最初に独身が多すぎると、夫婦が増えるように結婚が進みます。
この結果、結婚と離婚の頻度がちょうど同じになるところで落ち着きます（平衡）。
つまり、上記の（あ）と（い）が等しくなるということです。
ｋ2［Ｈ2Ｏ］　＝　ｋ1［Ｈ+］［ＯＨ-］
ｋ［Ｈ2Ｏ］　＝　［Ｈ+］［ＯＨ-］　　（ｋ＝ｋ2／ｋ1）
常温では、
ｋ［Ｈ2Ｏ］　＝　［Ｈ+］［ＯＨ-］　＝　０．０００００００００００００１　モル２乗／リットル２乗
であることが知られています。
中性であれば、
［Ｈ+］＝［ＯＨ-］＝√０．０００００００００００００１
　　＝　０．００００００１　モル／リットル
です。
ここで、１の前にあるゼロの個数を数えてみると、７個です。（小数点の左のゼロも数えます）

！！！実は、この「１の前にあるゼロの個数」のことをｐＨと言います！！！

対数を使った式で書けば、
ｐＨ　＝　－log(10)［Ｈ+］　＝　－log(10)０．００００００１
　＝　－log(10)１０^(-7)　＝　７

「対数」というのは、いかついような感じがしますけれども、星の明るさ（１等星、２等星とか）、地震のマグニチュード、はたまたギターなどの楽器でも用いられます。
１割２割という違いを考えるのが阿呆らしくなるほど、桁違いに大きいものと小さいものを比べるときに対数が用いられます。

中性以外の例も一つやってみましょうか。
アルカリ性の水溶液で、［ＯＨ-］＝　０．００００１モル／リットル　だとしましょう。
そこで　［Ｈ+］［ＯＨ-］＝０．０００００００００００００１　が保たれるためには、
［Ｈ+］では１の前にゼロが９個になります。
［Ｈ+］＝　０．００００００００１モル／リットル
ですので、この水溶液のｐＨは９となります。

以上で、ｐＨ、中性、酸性、アルカリ性のイメージがわかると思いますが、いかがでしょうか。

htms42 · Answer

酸性とはどういう事かは化学式を用いた表現以前から知られていたことです。

字の通り水溶液が酸っぱい味がするようになれば酸性になっているというのです。
酢酸のことを酢（す）というのも酸っぱい物質だからです。

食べ物が古くなって酸っぱくなるというのも同じです。酸ができているのです。
英語で酸のことをａｃｉｄと言いますが意味はやはり「酸っぱいもの」という事です。
酸っぱいというのは味の１つとして認識されていたことですから歴史は古いはずです。
水溶液が酸っぱくなっているときにその水溶液の中でＨ^+の濃度が高くなっているという事が分かったのはずっと後のことです。ｐＨという量が使われ始めたのはさらにもっと後のことです。
ｐＨが定義されて初めて酸とか酸性が知られるようになったのではありません。

酸性の溶液には金属が溶けるというのも良く知られていたようです。

酸は水溶液を酸性に変える物質です。
Ｈが含まれているかいないかには関係がありません。
（ラボアジェノ時代にはＣＯ２は炭酸と呼ばれていました。「炭酸ガス」という呼び方はその名残です。）

空気中にある呼吸や燃焼に役立つ成分のことを酸素と呼んでいます。ラボアジェの命名です。
「ラボアジェは酸素が酸性の原因であると考えて「酸素」と命名した」と言われることがあります。
誰が言いふらしたことか分かりませんが誤っています。
ラボアジェはこんなことは一言も言っていません。「酸素は酸でない物質を酸に変える働きがある」と言っているのです。酸素がくっつく程度が大きくなると強い酸ができるというのも言っています。
硫黄が燃えれば硫酸になります。酸でなかったものが酸に変わるのです。酸素ｏｘｉｇｅｎは「酸を作る物質」ｏｘｉ＋ｇｅｎｅｒａｔｅです。
酸がどうして酸性を示すのかの仕組みについては何も言っていません。そういう事はもっと後で分かった事です。

アルカリは元々は植物の灰を意味する言葉だったようです。
日本でも灰は昔から使われていたものです。畑の肥料の一つでもありますが染色や料理でもよく使われていたものです。水にとかしたものを灰汁（あく）と言います。「蕨の灰汁抜き」という言葉を聞いたことがあるでしょう。この色を出す時には椿の灰がいいとかの表現も聴いたことがあるのではないでしょうか。
普通は植物の灰ですが石の灰を使う事もあります。それが石灰（いしばい）ですです。そのために用いる特別な石が石灰岩です。石灰は肥料として使われることも多いですが建築資材としての用途も重要でした。大きなお寺や城の白い壁はすべて石灰を使っています。地中海沿岸の町並みの白い壁もすべて石灰を使っています。２０年ほど前までは運動場の白線引きはすべて石灰でした。石灰を触ると手が荒れるというのは石灰がアルカリ性だからです。

アルカリには独自の用途があったのですが酸の働きを打ち消すという働きもあることが知られていただろうと思います。それに対して塩基という言葉には酸の裏方としての位置づけでしかないように見えます。

Ｈ^+、ＯＨ^-　が分かって初めて酸性、アルカリ性が知られるようになったのではありません。

okormazd · Answer

「pＨは水素イオン濃度のことで」
はありません。
「pＨは水素イオン濃度指数のことで」す。
だから、pHから水素イオン濃度がわかるとしても、pHは直接水素イオンの濃度を表しているわけではありません。
なお、pは小文字です。

水の一部は電離して、水素イオンH+と水酸化物イオンOH-にわかれます。中性の水では、H+の数とOH-の数は同じです。
これに酸性の物質が溶けると、H+の数のほうが、OH-の数より多くなります。また、塩基性の物質を溶かすと、H+の数より、OH-の数のほうが多くなります。というより、そうなる物質をそれぞれ酸性物質、塩基性物質としたのです。

H+の数の変化は、酸性の度合いによって、ものすごく変わる(1000億倍もちがう)ので、そのままでは表しにくいのです。
それで、次の計算で水素イオン濃度指数として表します。
pH=-log_10[H+]
ここで[H+]が水素イオンの濃度です。

この計算では、logの前に「-」がついているので、水素イオンの濃度が大きくなると、pHは小さくなり、水素イオンの濃度が小さくなるとpHは大きくなるようになります。

なお、CO2については、他の回答者さんを参照してください。

hayasitti · Answer

>水素イオンが多いほうが酸性ということなのでしょうか？
はい、その通りです。
関係式はNo2の方を参照してください。

>また、酸性かアルカリ性かになぜ水素イオンの数が関係あるのですか？
水素イオンの数が酸性/アルカリ性の定義だからです。
水溶液中の水素イオンを増やす物質が酸性、（水素イオンを減らして）水酸化物イオンを増やす物質がアルカリ性です。
また、水素イオンの多い水溶液が酸性、水酸化物イオンが多い水溶液はアルカリ性、ということになります。
これは、アレニウスという人が提言した定義です。
（詳しくはWikipedia参照→http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%85%B8%E3%81%A8%E5%A1%A9%E5%9F%BA）
（ちなみにこれ以外にも酸/アルカリの定義はありますが、ややこしくなるので割愛します。）

>、『ＣＯ2（二酸化炭素）が多いとＰＨが下がる』そうですが、Ｈの原子記号１個も入ってないのになぜに酸性なのでしょうか？ 
下のお二方が書かれている通り、CO2は水に溶けることで、炭酸（H2CO3）となり、水素イオンを放出するため、水溶液は酸性になります。
また、似たようなものに、窒素酸化物（例:NO2）、硫黄酸化物（例：SO3）も同じく、水に溶けることで、水素イオンを放出し酸性を示します。
（例で挙げた物質では、水に溶けると、NO2は硝酸（HNO3）、SO3は硫酸（H2SO4）になって酸性を示します。）
このように、物質自身に水素（または水酸化物OH）がなくても、水に溶けることで酸性/アルカリ性を示す物質はたくさんあります。

ちなみに、窒素酸化物/硫黄酸化物が雨水に溶けて酸性になるのは、酸性雨の原因として有名ですね。

mmmma · Answer

pH=-log(水素イオン濃度)　　　（底は10）
です。

ですから、水素イオン濃度が10の-1乗だと、pH=1、
10の-14乗だと、pH=14です。

ということで、水素イオンが多いほうが酸性です。

二酸化炭素が水に溶けると、水と反応して、
水＋二酸化炭素←→水素イオン＋炭酸水素イオン
の平衡状態になるので、水素イオン濃度が上がります。

doc_sunday · Answer

>水素イオンが多いほうが酸性ということなのでしょうか？
はい、その通りです。

>酸性かアルカリ性かになぜ水素イオンの数が関係あるのですか？
結構むつかしい質問ですが、ぶっちゃけ「調べてみたらそうだった」だけです。
歴史的な遺産ですね。

>ＣＯ2（二酸化炭素）が多いとＰＨが下がる
下記の反応が起きます。
ＣＯ2 ＋ Ｈ2Ｏ → Ｈ2ＣＯ3
出来たものは炭酸です。弱酸ですが無視出来ないのは、空気中にあって水に溶けやすいのはＣＯ2だけだからです。

ペーハー（ＰＨ）の仕組みがよくわかりません

こんにちは。

酸性とはどういう事かは化学式を用いた表現以前から知られていたことです。

「pＨは水素イオン濃度のことで」

>水素イオンが多いほうが酸性ということなのでしょうか？

pH=-log(水素イオン濃度) （底は10）

>水素イオンが多いほうが酸性ということなのでしょうか？

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