水槽に石を入れるとpHが上がる化学的理由

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今回は水槽に石を入れるとpHが上がるという現象を化学的に追ってみたという内容です。

水槽に石を入れるとpHが上昇する
硬度とは
石が溶けると
硬度が上がりやすい石と上がりにくい石
まとめ【石でpHが上がるのは陽イオン交換のせい】

水槽に石を入れるとpHが上昇する

水槽に石を入れるとpHが上昇することが多いです。

これはカルシウムイオンやマグネシウムイオンで水の硬度が上がるからだ、と言われていますが、なぜ硬度が上がるとpHが上がるのかという原理まで解説されていることは少ないです。

今回は化学的に石を水槽に入れるとどういう状況になっているのかという問題を解説していきます。

硬度とは

その中でミネラル含量によって区分される指標を硬度と言い，水中にあるカルシウムイオン（Ca^2＋）とマグネシウムイオン（Mg^2＋）の合計量をそれに相当する炭酸カルシウム（CaCO₃）の量に換算して示されるものである。
三橋富子, 田島真理子, 水の硬度が緑茶浸出液に及ぼす影響, 日本調理科学会誌/49 巻 (2016) 3 号

硬度とは水中のカルシウムイオンとマグネシウムイオンの合計量のことです。

つまり以前酸性雨の話でやったように、硬度が高いとpHが上がるというよりは、硬度が上がる過程でH⁺やOH^–が放出されることでpHに影響がある場合が多いからpHと関係づけられているようですね。

というわけで、石が水に溶けるときのカルシウムイオンとマグネシウムイオンの反応式を追っていきます。

石が溶けると

石が溶けるときの化学反応に関してはいくつかの文献が存在します。

Ca-montmorillonite(s)十2H⁺(aq)+7H₂O⇄Ca²⁺(aq)+8SiO₂(s)+7/3kaolinite(s)

〔……〕

M^z+between the TーOーT layer units +zH⁺(aq)⇄zH⁺between the TーOーT layer units + M^z+(aq)
※村上定瞭, 吉野隆, 岩石の陽イオン交換反応による水のpH変化の速度論的研究, 環境技術/10 巻 (1981) 11 号

上でMはAlやMgなどの金属元素、zは任意の整数です。このほかにもう一つpHと岩石の関係式があるのですが、この影響度は低いとあるので割愛しています。

上の二つの化学式のうち、一つ目は水と鉱物が直接反応したときに違う構造の鉱物に変化するときに水素イオンが消費されてpHが上がるというものです。

二つ目が、ケイ酸アルミニウムやケイ酸マグネシウムが層状になった構造の中の陽イオンが水素イオンと交換反応を行うというもの。水素イオンが層状構造に取り込まれ、代わりに元々の陽イオンが排出されるのでpHが上がります。

このような陽イオンの交換に関する理論は他にもあり、例えば以下のようなものがあります。

前述したように Na^＋の溶脱のメカニズムのひとつとして岩石中のスメクタイトの Na^＋と地下水中の H^＋の陽イオン交換反応が示唆される．この反応は以下のような式で表される．
Na－R＋H^＋＝H－R＋Na^＋ …………………………………（1）
石井英一, 濱克宏, 國丸貴紀, 佐藤治夫, 海成堆積物の地下浅部における天水の浸透に伴う地下水のpH変化, 地質学雑誌/113 巻 (2007) 2 号

要するに岩石中の陽イオン交換で水中の水素イオンを消費してpHが上がるというものです。

岩石の中にはNa₂O, K₂O, MgO, CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, TiO₂, SO₃が主成分で含まれているとされており^(※)、Na⁺やK⁺,Mg²⁺やCa²⁺などの陽イオンが陽イオン交換でH⁺に置き換わるときにpHが上がるという話のようですね。