水の電離平衡とは？
純粋な水（蒸留水）は「電気を通さない」とよく言われますが、実際には僅かに電気を通します。それは、僅かな水分子が電離した状態で存在しているためです。
電離定数は次の式で表すことができます。
水の電離度は極めて小さいので、H2Oの濃度は殆ど変化しません。そのため、K［H2O］は定数であるとみなせます。K［H2O］= Kwとすると次の式が成り立ちます。
このKwを水のイオン積と呼びます。Kwは温度によって決まる定数です。
水のイオン積
蒸留水では、25℃では［H+］=［OH–］= 1.0 ×10-7 mol / lずつ存在しています。よって、水のイオン積は次のようになります。
水のイオン積は水の電離が邪魔されない希薄な酸・塩基でも成り立ちます。その結果、次のような関係になります。
［H+］＞［OH-］ 酸性
［H+］＝［OH-］ 中性
［H+］＜［OH-］ 塩基性
なぜ温度が高くなると水のイオン積Kwの値が大きくなるの？
水のイオン積は温度が高くなると、値が大きくなっていきます。これは、H2Oの電離が吸熱反応であるためです。
熱を加えるほど、右辺への反応が進むため、H+とOH–の濃度が上がり、水のイオン積Kwの値も大きくなります。
水素イオン指数pHとは？
水溶液の酸性・塩基性は、水素イオン濃度で示すことができます。水素イオン濃度の常用対数を水素イオン指数と呼び、記号pHで示します。
pHの値が１高くなると［H+］の濃度は10倍、２高くなると100倍になります。
［H+］の濃度が高すぎるとpHは使えない
例えば、［H+］= 10 mol/lでは、pHは-1になります。pHがマイナスの値になるのはおかしいことです。普通、pHは希薄な酸・塩基に使用されるものなので、10 mol/lのような濃度の高い溶液にはモル濃度を使用します。
1.0×10-5mol/lの塩酸を1000倍に薄めるとpHは何になる？
例えば、HCl =1.0×10-5mol/lを1000倍に希釈するとどうなるのでしょうか？単純に考えると、1.0×10-8mol/lとなり、pH=8と答えてしまいそうです。しかし、pH=8は塩基性であり、酸を薄めると塩基性になるとはおかしな話しです。
ここで考えなければならないのは、水の電離で生じた［H+］と［OH–］の濃度です。
| HCl | H+ | Cl– |
| 10-8 mol/l | 10-8 mol/l |
| H2O | H+ | OH– |
| x mol/l | x mol/l |
HClの濃度が十分ある内は、H2Oの電離は極わずかなので考える必要がありません。しかし、HClが極めて希釈されると、［H+］H2Oは無視できなくなります。そのため、［H+］の総量は下の式のようになります。
この式を、水のイオン積に当てはめると次のようになります。
［H+］total ・［OH–］ = 10-14
（10-8 + x）× x = 10-14
x2 + 10-8x – 10-14 = 0
xを解くと、9.5×10-8mol/lとなります。
よって、［H+］total = 1.05 × 10-7 mol/l
当たり前のことですが、水で薄めれば薄めるほど、中性（pH=7）に近づきます。
pH指示薬とは？
水溶液のpHの変化によって変色する物質をpH指示薬と呼びます。代表的な指示薬にはフェノールフタレインがあります。
なぜフェノールフタレインは塩基性で赤色になるの？
フェノールフタレインは弱酸であって、次のような電離平衡が存在しています。
塩基性の溶液にフェノールフタレインを加えると、H+が電離し、平衡が右へと移動します。A2-は赤色を示す陰イオンであるため、溶液全体が赤色となります。一方、酸を加えると、平衡が左に傾き、HA–（無色）が増えます。
