水溶液の水素イオン濃度とpHの求め方：強酸、弱酸、塩基の例

化学の問題で、水溶液の水素イオン濃度（[H+]）とpHを求める方法について解説します。問題に登場する水溶液の種類に応じて、それぞれどのように計算するのかを具体的に見ていきます。

1. 純粋な水

純粋な水は中性であり、水素イオン濃度は非常に低いですが、完全に0ではありません。水は自己電離しており、次のような反応が成立します：
H2O ⇌ H+ + OH-

この平衡反応において、水の水素イオン濃度は常に1×10^-7 mol/Lです。したがって、純粋な水の水素イオン濃度は1×10^-7 mol/L、pHは7になります。pHは次の式で求められます：
pH = -log[H+]

したがって、純粋な水のpHは7です。

塩酸（HCl）は強酸であり、水に溶けると完全に電離します。したがって、塩酸の水素イオン濃度はその濃度と等しくなります。

水素イオン濃度 [H+] = 0.010 mol/Lとなり、pHは次のように計算できます：
pH = -log(0.010) = 2

したがって、0.010 mol/Lの塩酸のpHは2です。

酢酸（CH3COOH）は弱酸であり、完全に電離しません。ここでは、電離度が0.10であることが与えられています。電離度とは、酸がどれくらい電離して水素イオンを放出するかを示す値です。

酢酸の水素イオン濃度 [H+] は、次の式で計算できます：
[H+] = 電離度 × 酢酸の初濃度 = 0.10 × 0.010 mol/L = 0.0010 mol/L

この水素イオン濃度を使って、pHを計算します：
pH = -log(0.0010) = 3

したがって、0.010 mol/Lの酢酸水溶液のpHは3です。

水酸化ナトリウム（NaOH）は強塩基であり、水に溶けると完全に電離します。水酸化物イオン（OH-）の濃度は、NaOHの濃度と等しくなります。

水酸化物イオン濃度 [OH-] = 0.10 mol/Lです。水の水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度は次の関係式で結びついています：
[H+][OH-] = 1 × 10^-14

したがって、[H+] = 1 × 10^-14 / [OH-] = 1 × 10^-14 / 0.10 = 1 × 10^-13 mol/Lです。

この水素イオン濃度を使って、pHを計算します：
pH = -log(1 × 10^-13) = 13

したがって、0.10 mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液のpHは13です。

水溶液の水素イオン濃度とpHは、酸や塩基の性質に大きく影響されます。強酸や強塩基は完全に電離するため、その濃度が水素イオン濃度に直結します。弱酸の場合は電離度を考慮する必要があります。これらの計算方法を理解することで、さまざまな水溶液のpHを求めることができるようになります。