化学分析屋さんの分析ノート: 第69回環境計量士国家試験（環濃）問２の解説

問２（第69回環濃）
強酸の pH を計算して求める設問ですが、計算の過程が複雑で時間をかなり割かなくてはなりません。試験本番では後回しするべき問題ですが、試験対策として勉強するのであれば、重要ポイントをいくつか含んだ良問だと思います。

塩酸の pH を求めてみる！
例えば、濃度 1.0×10^-3 mol/ℓ の塩酸は強酸なので、次のように完全に電離しています。

ですから、[H⁺] = [Cl^-] ＝ 1.0×10^-3 mol/ℓ となります。
pH は次のように定義されていますから、この塩酸の pH は 3.0 です。

[H⁺] ＝10^-α mol/ℓのとき、pH＝α

では、濃度 1.0×10^-9 mol/ℓ の塩酸の場合、その pH は 9.0 なのでしょうか？

そんなはずありませんね。pH 9.0 はアルカリ性です。
塩酸をどんなに希釈してもアルカリ性には決してなりません！ただの水に近づくだけですから、その pH は水の pH より大きくなることはありません。

水の pH を求めてみる！
ところで、水の pH が 7.0 であることは周知の事実ですが、その pH を計算して求めてみたことはありますか？
ここが理解できていないと先には進めません。

水は塩酸と異なり、わずかに次のように電離しています。

ですから、H⁺ の濃度と OH^- の濃度は同じです。（ [H⁺] ＝ [OH^-] ）
また、[H⁺] と [OH^-] の積を 水のイオン積（K_w）といい、その濃度は分かっています。

25℃のとき、
水のイオン積の濃度は 1.0 × 10^-14 (mol/ℓ)²

[H⁺][OH^-] = 1.0 × 10^-14 (mol/ℓ)² に、 [H⁺] ＝ [OH^-] を代入すると、

[H⁺]² = 1.0 × 10^-14 (mol/ℓ)²
[H⁺] = 1.0 × 10^-7 (mol/ℓ)

したがって、pH は 7.0 となります。

さて、本題です。濃度 1.0×10^-7 mol/ℓ の塩酸の pH を求めてみましょう！
上で解説したとおり、水はわずかに電離しています。
塩酸の濃度が高い場合、塩酸由来の H⁺ が水溶液中に多く存在するので、水の電離はあまり進まず、結果として水の電離については無視できます。

ところが塩酸の濃度が極端に低い場合、塩酸由来の H⁺ が水溶液中にほとんど存在しないので、水の電離は進みます。結果として水の電離については無視できなくなるのです。

というわけで、この濃度の薄い塩酸の中には次の３つのイオンが存在します。

H⁺ OH^- Cl^-

そして、この３つのイオンの濃度の関係は次のようになります。