水素イオン

水素イオンは、水素原子が電子を失うことで生成されます。正に帯電した水素イオン（または陽子）は他の粒子と容易に結合できるため、気体状態または粒子がほとんど存在しない空間にある場合にのみ孤立して見られます。^[1]水素イオンは、電荷密度がナトリウムイオンの約2×10 ¹⁰倍と非常に高いため、すぐに水和、つまり結合してしまい、溶液中で自由に存在できません。 ^[2]水素イオンは、IUPACによって、水素イオンとその同位体のすべてのイオンの総称として推奨されています。^{[3]イオンの}電荷 に応じて、正に帯電したイオンと負に帯電したイオンの2つの異なるクラスに区別できます。

水素原子は電荷 +1 を持つ原子核と 1 つの電子で構成されています。したがって、正に帯電するイオンは電荷 +1 を持つイオンのみとなります。これは H ^{+ と}表記されます。

問題の同位体に応じて、水素陽イオンの名前は異なります。

• ハイドロン：水素同位体の陽イオン（H ⁺）を指す一般名
• 陽子: ¹ H ^{+ (すなわち、}プロチウムの陽イオン)
• 重陽子: ² H ⁺、D ⁺
• トリトン: ³ H ⁺、T ⁺

さらに、これらの陽イオンと水との反応によって生成されるイオンおよびその水和物は水素イオンと呼​​ばれます。

• ヒドロニウムイオン: H ₃ O ⁺
• ツンデル陽イオン: H ₅ O ₂ ⁺ (ゲオルク・ツンデルにちなんで命名)
• 固有陽イオン: H ₉ O ₄ ⁺ (または H ₃ O ⁺ •3H ₂ O) (マンフレート・アイゲンにちなんで命名)

ツンデル陽イオンと固有陽イオンは、グロッタス機構に従って陽子拡散において重要な役割を果たします。

酸に関連して、「水素イオン」は通常、ハイドロンを指します。

左の図では、水素原子 (中央) に陽子 1 個と電子 1 個が含まれています。電子を除去すると陽イオン (左) になり、電子を追加すると陰イオン (右) になります。緩く保持された 2 つの電子雲を持つ水素陰イオンは、中性原子よりも半径が大きく、中性原子は陽イオンの裸の陽子よりもはるかに大きくなります。水素は電子を持たない唯一の陽イオンですが、(水素とは異なり) 1 つ以上の電子を保持している陽イオンでさえ、それらが由来する中性原子または分子よりも小さくなります。

追加の電子が獲得されると 水素陰イオンが形成されます。

• 水素化物：水素同位体の陰イオン（H ⁻）を指す一般名
• プロタイド: ¹ H ⁻
• 重水素: ² H ⁻、D ⁻
• トリチド: ³ H ⁻、T ⁻

光合成では、水素イオンがATP 合成酵素を駆動します。これは、水素イオンが膜を越えて押し出され、チラコイド膜内の濃度が高くなり、細胞質内の濃度が低くなるときに起こります。しかし、浸透圧により、H ^{+ は}ATP 合成酵素を介して膜から押し出されます。逃げるために運動エネルギーを使用して、プロトンは ATP 合成酵素を回転させ、次にATP を生成します。これは細胞呼吸でも発生しますが、濃縮された膜はミトコンドリアの内膜になります。

pH として測定される水素イオン濃度も、化合物の酸性または塩基性の性質に影響します。水分子は分裂して H ^{+と水酸化物アニオンを形成します。このプロセスは、}水の自己イオン化と呼ばれます。

水素イオン濃度と pH は反比例します。水溶液では、水素イオン濃度が増加すると pH が低下し、結果として酸性の生成物が生成されます。定義上、酸はプロトンを供与できるイオンまたは分子であり、溶液に導入されると水分子 (H ₂ O) と反応して水の共役酸であるヒドロニウムイオン (H ₃ O ⁺ ) を形成します。^[4]単純化のため、ヒドロニウムイオンを省略するために水素イオン (H ⁺ ) がよく使用されます。

海洋酸性化は、世界中の海洋による二酸化炭素（CO2）の大幅な吸収により、水素イオン濃度と炭酸塩飽和度が上昇したことによる直接的な結果です_。^[5]産業革命以前の海洋の炭酸塩化学状態は、pHバランスを含め、著しく安定していました。^[6]産業革命後、化石燃料の燃焼、セメント生産、土地利用の変化による人為的な排出により、海洋による大気からの二酸化炭素の吸収が30％増加しました。^[7]海洋では、この温室効果ガスの吸収能力は大気中の59倍です。^[8]海洋は地球上で最大の炭素吸収源として機能し、気候調節に重要な役割を果たしています。^[9]炭素フラックスに加えて、大気から深海への炭素隔離の自然なプロセスは、生物ポンプと溶解度ポンプの2つのシステムによって促進されます。溶解ポンプは、大気と海の界面で_{二酸化炭素を}移動させる物理化学的プロセスです。 ^[10]ヘンリーの法則に基づくと、水溶液に溶解した二酸化炭素の量は、大気中の二酸化炭素の分圧に正比例します_。 [ ₁₁ ^{]平衡を維持するために、大気中の}_{二酸化炭素}の分圧が高い状態は、分子拡散によるこのガスの海洋交換の増加につながります。

表層水では、大気中の溶存二酸化炭素（CO _2(aq)）が水分子と反応して、弱い二価酸である炭酸（H ₂ CO _{3 ）を形成します。二価酸は、各分子内にイオン化可能な水素原子が2つあります。} ^[12]水溶液中では、炭酸が部分的に解離して水素陽子（H ⁺）と重炭酸イオン（HCO ₃ ⁻）が放出され、続いて重炭酸イオンがさらに水素陽子と炭酸イオン（CO ₃ ^2-）に解離します。^[13] これらの無機炭素種の溶解と解離により、水素イオンの濃度が増加し、逆に周囲の海洋表層pHが低下します。炭酸緩衝システムは、溶存無機炭素種を化学平衡に維持することで、海水の酸性度を制御します。

化学式は、どちらの方向にも反応する可能性のある反応物と生成物で構成されています。システムに追加された反応物が多いほど、生成物の生成量が増え（化学反応は右にシフトします）、さらに生成物が追加されると、追加の反応物が形成され、化学反応は左にシフトします。したがって、このモデルでは、最初の反応物である二酸化炭素の濃度が高いと、最終生成物（H ⁺および CO ₃ ^2-）の量が増加し、pHが低下して溶液の酸性度が高くなります。海洋の天然の緩衝システムは、遊離酸プロトンが炭酸イオンと反応してアルカリ性を形成することで生成される重炭酸イオンをより多く生成することにより、pHの変化に抵抗します。^[14] しかし、大気中のCO _{2濃度の上昇は緩衝能力の閾値を超え、結果として海洋の酸性化の速度が速まる可能性があります。海洋の炭酸塩化学の変化は、多くの元素や化合物の}海洋生物地球化学サイクルを操作する可能性があり、海洋生態系に重大な影響を及ぼします。さらに、CO ₂の溶解度は温度に依存します。表層水温の上昇は二酸化炭素の溶解度を低下させる_。大気中の二酸化炭素分圧が継続的に上昇すると、_{海洋が炭素を吸収するシンク（炭素を海洋深層に垂直に輸送する）から排出するソース（海洋からの二酸化炭素}の脱ガス）へと変化し、地球温度がさらに上昇する可能性がある。 ^[15]

• 酸
• プロトン化
• 二水素陽イオン
• 三水素陽イオン

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