水溶液
水溶液とは溶媒が水である溶液を指し、化学・生物・工学の基盤となる系である。水は極性が高く誘電率が大きいためイオンや極性分子を安定化し、広範な物質を溶かす。さらに水素結合網と高い比熱が熱・物質移動を緩和し、反応場としての再現性を与える。日常の食塩水から電池電解液、分析化学の試薬系まで、水溶液は設計・評価の標準媒体として広く用いられている。
定義と構成要素
水溶液は溶媒が水、溶質が分子またはイオンで構成される均一相である。溶質は溶解により水和（ハイドレーション）を受け、イオンであれば水分子の配向により静電的に安定化する。疎水性分子はミセル形成や包接により見かけ上溶解度が増すことがあり、界面活性剤や環状オリゴ糖がその媒介となる。均一性はマクロに定義され、微視的にはクラスターや一時的ネットワークが存在しうるが、バルク性質は平均化される。
溶解過程と熱力学
溶解は格子エネルギーの破壊と水和エネルギーの獲得の競合で説明できる。自由エネルギー変化ΔG=ΔH−TΔSが負であれば自発的である。エントロピー増大（混合の寄与）により吸熱性でも溶解が進む場合がある。溶解度はΔG=0の条件で定まる平衡値であり、温度・圧力・イオン強度に依存する。非電解質では主に分子間相互作用が、電解質ではクーロン相互作用と水構造の再編が支配的である。
濃度の表し方
- モル濃度 M：c=n/V（mol/L）。温度で体積が変わるため温度依存を持つ。
- 質量モル濃度 m：m=n/溶媒kg（mol/kg）。体積変化の影響を受けにくい。
- 質量百分率 w/w%：溶質質量/溶液質量×100。調製時の秤量管理に適する。
- 体積百分率 v/v%：液体溶質に用いる簡便表記。
- モル分率 x：成分比の熱力学的議論に有用。
理想性と実在性
希薄な水溶液は理想溶液近似が成り立ち、活量aは濃度cに比例する。実在系では係数γを導入しa=γcで扱う。電解質ではイオン強度I=1/2Σc_i z_i^2が相互作用の尺度であり、希薄極限でデバイ–ヒュッケル理論がγの濃度依存を与える。高濃度や多価イオン系では溶媒和・イオン会合が顕著となり、Pitzer型モデルなどの経験式が用いられる。
電解質と非電解質
電解質は水溶液中で解離しイオンを与える。強電解質は完全解離近似が成立し、弱電解質は解離定数で平衡が決まる。浸透圧や凝固点降下などの性質は有効粒子数に依存し、ファントホッフ係数iで補正する。導電率は担体濃度と移動度の積に比例し、コールラウシュの法則が希薄域で成り立つ。
凝集性質（コリガティブ性質）
- 蒸気圧降下：非揮発性溶質ではラウールの法則に従いp=p^0x_溶媒。
- 沸点上昇：ΔT_b=K_b m i。溶媒固有定数K_bで標定する。
- 凝固点降下：ΔT_f=K_f m i。寒剤や不凍液の原理である。
- 浸透圧：π=i c R T。半透膜を介した溶媒移動の駆動力となる。
溶解度と温度・圧力
多くの固体は吸熱溶解であり温度上昇で溶解度が増加するが、発熱溶解の例では減少する。気体はヘンリーの法則p=k_H xに従い、温度上昇で溶解度が低下する傾向がある。圧力の影響は気体溶解で顕著で、二酸化炭素の吸収や脱気操作の設計に直結する。共通イオン効果は難溶塩の溶解平衡を左に移し、イオン積に基づく析出制御に利用される。
酸・塩基とpH
水溶液では水自身がH^+とOH^-に自己解離し、25℃でK_w≈1.0×10^-14を与える。pH=−log[H^+]で定義され、強酸・強塩基は完全解離近似、弱酸・弱塩基はヘンダーソン–ハッセルバルヒ式で緩衝領域を設計する。緩衝液は外乱に対しpH変化を小さく抑え、分析・生体・プロセス制御で不可欠である。
反応速度と溶媒効果
極性溶媒としての水は電荷分離状態を安定化し、活性化エネルギーを低下させることがある。溶媒和殻の再編は遷移状態の熱力学を変え、イオン反応や酸触媒反応の速度に影響する。イオン強度やイオン対形成は反応次数の見かけを変化させ、速度定数の塩効果として観測される。
分析・工学への応用
水溶液は容量分析の滴定、UV-Visや電気化学計測の標準媒体である。プロセス工学では反応器での混相移動、pH制御、スケール防止、腐食抑制が運転指標となる。電池では電解質水溶液がイオン伝導と安全性を両立し、医薬では溶解度・安定性・バイオアベイラビリティの最適化に溶媒設計が活用される。
取扱いと安全
強酸・強塩基や酸化剤を含む水溶液は皮膚・眼・金属材料に有害である。適切な個人防護具の着用、換気、希釈時の添加順序（必ず酸を水へ）を守る。排液は法規と環境基準に従い中和・希釈・分別を行い、重金属やフッ化物は専用処理を要する。保管は材質適合容器と温度管理が基本である。