アニオン
アニオン（anion、陰イオン）は負電荷をもつイオンであり、溶液中や固体中で静電相互作用により陽電荷を帯びた種と結合・拡散・輸送する粒子である。形成経路は電子の受容や共有結合の不均等開裂、酸・塩基反応など多様である。電気化学では陽極（アノード）へ移動し、電気伝導や電気泳動の担い手となる。代表例に Cl⁻、OH⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻、CO₃²⁻、PO₄³⁻ などがあり、反応性・溶解度・配位能力は種類ごとに大きく異なる。概念上の対概念は陽イオンであり、両者の総称がイオンである。
定義と基本性質
アニオンは電子数が原子核の陽子数を上回る粒子である。溶液中では溶媒和（特に水和）により有効半径が増し、同族でも移動度が変化する。硬軟酸塩基（HSAB）概念では F⁻ や O²⁻ は硬塩基、I⁻ や S²⁻ は軟塩基として振る舞う。電解質溶液では陽イオンとのイオン対生成、同種間の反発、イオン強度に依存する活量係数が熱力学量を規定する。
生成機構
溶液化学・電気化学・材料科学での アニオン 生成は次の経路に分類できる。
- 還元による電子付与：X + e⁻ → X⁻。電極反応や放射線化学で典型的である。
- 電離・解離：HX ⇌ H⁺ + X⁻。酸の共役塩基が陰イオンとなる（例：酢酸 → AcO⁻）。
- 格子生成：固体塩では O²⁻ や Cl⁻ が陰イオン副格子をつくる（NaCl 型など）。
- 求核付加・配位：CN⁻、OH⁻ などが求核剤・配位子として金属中心へ結合する。
代表例と化学的性質
各陰イオンは酸塩基性、配位数、沈殿挙動が異なる。古典的溶解度則では Ag⁺ との難溶塩形成がハロゲン化物の識別に用いられる。
- ハロゲン化物（F⁻, Cl⁻, Br⁻, I⁻）：軟硬の差が配位化学・反応速度に影響。
- OH⁻：強塩基で中和反応を支配、腐食・溶解度平衡に関与。
- NO₃⁻：酸化剤性塩を形成、光分解・環境負荷の議論が多い。
- SO₄²⁻：バリウム塩は難溶。スケール（析出障害）の原因となる。
- CO₃²⁻：酸で CO₂ を発生。硬水・セメント化学で重要。
- PO₄³⁻：緩衝系・生体エネルギー代謝で中心的役割。
- CN⁻：強い配位子で錯体形成が迅速。高毒性に注意。
溶液中の挙動と pH
アニオンは溶媒和殻とイオン雰囲気に包まれ、実効濃度は活量 a = γc により表される。弱酸の共役塩基（AcO⁻ など）は加水分解を起こし pH を上げる。共通イオン効果は沈殿平衡や緩衝溶液の設計に不可欠であり、酸・塩基の理解には酸と塩基の概念が前提となる。
イオン強度と活量係数
低イオン強度域では Debye–Hückel 近似により活量係数が電荷の二乗に依存し、高電荷の アニオン（SO₄²⁻, PO₄³⁻ など）は非理想性が顕著である。設計計算ではイオン強度 I と拡張式を用いる。
電気化学と移動度
導電率 κ は各種イオンのモル伝導率と輸率に分解される。Kohlrausch の法則により希薄域での加成性が成り立ち、電気泳動やキャピラリー電気泳動では Stokes 半径と溶媒和が移動度を決定する。電解装置では アニオン が陽極へ移動し、酸化還元や電気分解の選択性に影響する。酸化・還元に関する平衡は酸化還元電位で評価される。
実験での確認法
ハロゲン化物は Ag⁺ で沈殿（Cl⁻：白、Br⁻：淡黄、I⁻：黄）し、アンモニア水での溶解性差で識別できる。CO₃²⁻ は酸添加で CO₂ 発泡、SO₄²⁻ は Ba²⁺ と白色沈殿を与えるなどの系統分析が古典的手法である。
材料科学・固体中のアニオン
イオン性結晶・酸化物・硫化物では、陰イオン副格子が配列と物性を規定する。NaCl の F センターは アニオン 空孔に電子が捕捉された欠陥であり、発光や着色の起点となる。固体電解質（ZrO₂ 系など）では O²⁻ の拡散が高温導電の本質で、ペロブスカイト ABO₃ では陰イオン配列の歪みが強誘電性や触媒活性を左右する。
イオン交換と分離技術
強塩基性アニオン交換樹脂は NO₃⁻・SO₄²⁻・CrO₄²⁻ などを捕捉し、水処理で用いられる。アニオン交換膜（AEM）はアルカリ型燃料電池や電解で選択的輸送を担い、モジュール設計では膜抵抗と拡散境界層の最小化が鍵となる。電離定数や電解質濃度の最適化が性能を左右する。
分析・定量の代表手法
実務では複数法を併用して確度を担保する。
- イオンクロマトグラフィー（IC）：無機 アニオン の同時分離定量に有効。
- 沈殿・錯形成滴定：ハロゲン化物の銀滴定（Mohr/Volhard など）。
- 分光法：比色（PO₄³⁻ のモリブデン青）、吸光度で微量を追跡。
- 電極法：イオン選択性電極（F⁻, CN⁻ など）の活量測定。
安全・環境面
CN⁻、CrO₄²⁻、AsO₄³⁻ などは強毒性・発がん性・環境残留性が問題となる。NO₃⁻・PO₄³⁻ は富栄養化や飲料水基準に直結し、除去には凝集沈殿、選択吸着、アニオン交換、電気透析の適用が検討される。工程安全では皮膚・吸引暴露を避け、酸性条件での揮発性有害化学種（HCN 等）生成を抑止する設計が求められる。