でんち と 豆電球を どうせんで つないで、とちゅうに いれものを おくと、でんきが とおるかどうかを しらべられます。

かわいた しおの つぶは、でんきを とおしません。ほとんど まじりものの ない みずも、ほとんど とおしません。ところが、しおを とかした しおみずは、とおします［1］。

でんきを はこぶのは、みずの なかで ばらばらに はなれて うごく、しおの イオンです。イオンは、でんきを おびた ちいさな つぶです。ナトリウムイオンと、えんかぶつイオンの 2しゅるいが あります［1］。

でも、かわいた しおの なかには、イオンは いないのでしょうか。

電池と豆電球をつないだ回路の途中に容器を置き、入れるものを変えると、電気が通るかどうかを比べられます。食塩の結晶は、通しません。ほとんど混じりもののない水も、ほとんど通しません。ところが、食塩を溶かした食塩水は通します。

電気を運んでいるのは、水の中で食塩が分かれてできるナトリウムイオン（陽イオン）と塩化物イオン（陰イオン）です。水に溶けると陽イオンと陰イオンに分かれ、電気を通すようになる物質を電解質といい、食塩はその代表です［1］。砂糖のように、溶けてもイオンに分かれない物質は非電解質と呼ばれ、砂糖水は電気を通しにくいことが知られています。

ここまでで、答えの大筋は分かります。食塩水では、水の中を動くイオンが電気を運んでいるのです。では、結晶の中にはイオンがないのでしょうか。

電池と豆電球の回路の途中に容器を入れ、中身を食塩の結晶、ほとんど混じりもののない水、食塩水と変えて比べる。結晶と水はほとんど電流を通さず、食塩水は通す。

この違いを生むのは、水に溶けて陽イオン（Na⁺）と陰イオン（Cl⁻）に電離したイオンが、溶液中を移動して電荷を運ぶことである。水などの溶媒に溶かすとイオンに分かれて電気を通す物質を電解質といい、食塩はその代表例にあたる［1］。逆に、溶けてもイオンに分かれない砂糖のような物質は非電解質と呼ばれる。

ここまでが「食塩水はなぜ電気を通すか」の答えの骨格になる。ただし、「水に溶けて初めてイオンができる」と言い切ると不正確になる。結晶の側を見直す必要がある。

じつは、かわいた しおの つぶの なかにも、イオンは います。ナトリウムイオンと えんかぶつイオンが、ぎっしり ならんで くっついて います。うごけないので、でんきを はこべないのです［1］。

たとえば、せきに ぎっしり すわって うごけない みんなと、やすみじかんの こうていで はしりまわる みんなを おもいうかべて ください。イオンも、みずに とけると、ばらばらに なって うごけるように なります。ただし これは たとえで、ほんとうの イオンは にんげんのように かんがえて うごくわけでは ありません。

みずに とかさなくても、ひで ねっして どろどろに すると、イオンが うごけるように なって でんきを とおします［1］。

食塩のような塩は、固体のときも、熱でどろどろに溶かした状態のときも、もとの原子はイオンとして存在しています。固体の中では陽イオンと陰イオンが規則正しく並んで引き合い、その場から動けません。熱で融かすと動けるようになり、電気を通します［1］。

つまり、結晶が電気を通さないのは、イオンがいないからではなく、動けないからです。座席に座ったままの観客席と、休み時間の校庭を比べると、イメージしやすいかもしれません。ただし、イオンが人間のように考えて動くわけではありません。

では、水に入れると動けるようになるのはなぜでしょう。水は電気的な偏りが大きい溶媒で、イオンどうしの引き合う力を弱めます。さらに水の分子がイオンを取り囲んで安定させる（溶媒和）ため、結晶からイオンがはなれて水の中に散っていきます［2］。

水の中のイオンは、動けるようになりました。では、その電気の通りやすさは、ふつうの水と比べてどれほど違うのでしょうか。

食塩のような塩は、固体でも融解状態でも、構成原子はイオンとして存在している。固体中ではイオンが結晶格子の位置に固定されて動けず、融解するとイオンが移動できるようになって導電性を示す［1］。したがって、固体の食塩が電気を通さない理由は、イオンの不在ではなく移動できないことにある。

では、水に入れるとなぜ動けるのか。水は極性の高い溶媒で、その中ではイオンどうしの静電気力が弱まる。さらに、水分子がイオンのまわりに集まって安定化させる（溶媒和）ので、結晶を作っていたイオンが分かれる［2］。電離は「水の中でイオンが新しく作られる」というより、「結晶に束縛されていたイオンが解放される」ととらえたほうが、固体や融解状態の導電性とも矛盾しない。

電気を運ぶ粒の正体はこれで分かった。次の問いは、その粒の数が電気の通りやすさにどれほど効くのか、である。

ほとんど まじりものの ない みずは、でんきを ぜんぜん とおさない わけでは ありません。みず じしんも、ほんの すこしだけ イオンに わかれて います。でも、その かずは とても すくないのです［3］。

うみの みずには、しおなどが たくさん とけて います。でんきの とおりやすさを けいさんで くらべると、およそ90万ばいに なります。ただし、これは おんどや しおの こさで かわる、おおまかな かずです。

イオンの かずが おおいほど、でんきは とおりやすく なります。

ほとんど混じりもののない水は、電気を全く通さないわけではありません。水自身がごくわずかに水素イオンと水酸化物イオンに分かれるため、25℃の高純度の水で、電気伝導率は約0.055µS/cmです［3］。

一方、海水は約50mS/cmとされます［3］。これは解説記事にある代表的な値で、温度や塩分の条件までは細かく書かれていません。1mSは1000µSなので、50mS/cmは50000µS/cmです。これを0.055で割ると約90万になります。出典の英語版には「約1000倍」という記述もありますが、計算と合いません。そこでこの記事では、計算で出した約90万倍を使い、温度や塩分で変わる概算として扱います。

海水の値は、場所でも変わります。標準的な海水（塩分35）の15℃での値は約43mS/cmです。中国の有人潜水調査船「蛟龍」の測定では、30〜60mS/cm相当の範囲で、水深20〜100mで最大、1800〜2600mで最小でした［4］。水温が下がると伝導率は下がり、塩分が増えると上がります。

水温が変わると、イオンの動きやすさも変わります。その差は、どれくらいなのでしょうか。

25℃の高純度の脱イオン水の電気伝導率は、0.05501µS/cm（抵抗率約18.18MΩ·cm）とされる。水自身がH⁺とOH⁻にわずかに電離するだけなので、イオンが極端に少ない［3］。これに対し、海水は約50mS/cmである［3］。単位をそろえて50000µS/cm÷0.055µS/cmを計算すると約9.1×10⁵、すなわち約90万倍になる。

注意点が2つある。1つめは、出典の英語版が「約1000倍」と書いていることだ。計算とは桁が合わないため、別の基準との取り違えの可能性があり、この記事は計算値を採った。2つめは、この倍率が25℃の高純度の水と約50mS/cmの海水という、測定条件の違う値を割った概算だということである。

海水の値そのものも一定でない。標準海水（塩分35 PSU）の15℃での電気伝導率は4.2914S/m、約43mS/cmで、「蛟龍」による測定では3〜6S/mの範囲だった。水深20〜100mで最大、1800〜2600mで最小となり、水温が下がれば低下し、塩分が増えれば上昇する［4］。

伝導率が温度に左右されるなら、その原因はイオンの動きやすさにあるはずだ。次はそこを数字で見る。

おおくの しゅるいの しおの みずでは、あたたかいと すこし でんきが とおりやすく なります。イオンが うごきやすく なるからです［3］。

めやすとして、おおくの しおの みずでは、おんどが 1ど あがるごとに、とおりやすさが 2パーセントほど ふえる といわれます。10ど あがれば、およそ 2わり ふえる けいさんです。ただし、ものや こさで かわります［3］。

それに、イオンは しゅるいに よっても うごきやすさが ちがいます。みずの なかでは、すいそイオンが ナトリウムイオンより、およそ 7ばいも はやく うごきます［5］。

多くの塩の溶液では、室温の近くで、温度が1℃上がるごとに電気伝導率がほぼ直線的に約2%ずつ増えるという目安があります［3］。温度が高いほどイオンが動きやすくなるためです。10℃上がれば、単純に計算して約2割増えます。ただし「典型的には」という目安で、物質や濃さで変わります。

イオンの種類でも、動きやすさはちがいます。水中での電気移動度は、水素イオン（H⁺）が3.62×10⁻³、カリウムイオンが0.762×10⁻³、ナトリウムイオンが0.519×10⁻³（cm²/(s·V)）です。計算すると、水素イオンはナトリウムイオンの約7倍、カリウムイオンは約1.5倍動きやすい数字になります［5］。

水素イオンが速いのは、水の分子のつながりを使って、次々に受けわたすように動くためだとされます［5］。

ここまでで、食塩水が電気を通す理由は説明できました。では、この考えは、いつ、だれが言い出したのでしょうか。

多くの塩の溶液では、室温付近で温度が1K上がるごとに、電気伝導率がほぼ直線的に約2%増える。イオンが動きやすくなるためで、10K上がれば約2割増の計算になる。ただし「typically」付きの目安で、物質や濃度によって変わる［3］。

イオンの種類による差も大きい。水中の電気移動度は、H⁺が3.62×10⁻³、K⁺が0.762×10⁻³、Na⁺が0.519×10⁻³ cm²/(s·V)である。割り算すると、H⁺はNa⁺の約7倍、K⁺はNa⁺の約1.5倍になる［5］。

H⁺が飛び抜けて速いのは、水素結合でつながった水分子の間で、プロトンが次々に受けわたされるグロータス機構が働くためとされる［5］。つまり、電気の通りやすさは、イオンの量や種類、温度によって変わる。

これで、現象の説明はそろった。それでは、この「動けるイオン」という見方は、いつ、どのように生まれたのか。

「しおみずには、でんきを ながす まえから イオンが ある」という かんがえを つよく おした 人が、スウェーデンの 学者がくしゃ、アレニウスです。1884ねんに、だいがくに ろんぶんを だして、しおが みずに とけると イオンに わかれる、と かきました［6］。

でも、そのときの ひょうかは たかく ありませんでした。にほんの じてんには、「かがくでも ぶつりがくでも ない」と みられた、と つたえられて います［7］。

それでも アレニウスは、ほかの 学者に ろんぶんを おくりました。オストワルトなどが すぐに きょうみを もち、なかまに なりました。のちに 1903ねんに、ノーベルしょうを もらいました［6］［7］。

1884年、スウェーデンのアレニウスは、ウプサラ大学に電解質の電気の通りやすさについての学位論文を出しました。固体の塩は水に溶けると、電気を帯びたイオンに分かれる、という内容です。教授たちの評価は高くなく、英語版の伝記には、最初の評価が口頭審査で一段上げられたとあります［6］。日本の辞典にも、当時は「化学でもなければ物理学でもない」と見られ、本人も失望したと伝えられる、とあります［7］。

何が新しかったのでしょうか。「イオン」という言葉は、1834年にファラデーが導入し、ウィリアム・ヒューウェルの提案によるものです。ギリシャ語の「行く」に由来し、陽イオン・陰イオンの名前も彼の案でした［8］。伝記の要約では、当時は外から電流を流して初めてイオンができるという見方が先にあり、アレニウスは、電流を流さなくても塩の水溶液にはもうイオンがあると主張しました［6］。この対比は、伝記の要約による説明です。

アレニウスは論文をクラウジウス、オストワルト、ファント・ホッフらに送り、彼らは強い関心を示しました［6］。なかでもオストワルトは早くから価値を認め、ファント・ホッフと3人で「イオン主義者」として普及に努めたと伝えられます［7］。1903年のノーベル化学賞の受賞理由は「電離説による化学の進歩への重大な貢献」でした［7］。なお、電離説を明確に述べた年は資料によって違い、1884年は学位論文を出した年です。

この考えは、いまも工場で使われています。どんな場面なのでしょうか。

決定的だったのは、「いつイオンができるか」という問いへの答えの違いである。「イオン」という語は、1834年にファラデーが導入した。ウィリアム・ヒューウェルの提案によるもので、ギリシャ語の「行く」の現在分詞に由来し、カチオン・アニオン、アノード・カソードも彼の案とされる［8］。そのうえで、アレニウスは、電流を流さなくても塩の水溶液にはもうイオンがある、と主張した。英語版の伝記の要約によれば、これは外から電流を流して初めてイオンができるというファラデーの見方とは違った［6］。この対比は、伝記の要約による説明である。

1884年に提出した学位論文（ウプサラ大学）は、教授陣に高く評価されなかった。英語版の記述では、最初の評価は第4級で、口頭審査で第3級に直されている［6］。ところが、アレニウスは論文をクラウジウス、オストワルト、ファント・ホッフらに送り、彼らは強い関心を示した［6］。日本の辞典によれば、当時の電離説は「化学でもなければ物理学でもない」と見られ、本人も失望したと伝えられるが、オストワルトが早くから価値を認め、ファント・ホッフと3人で「イオン主義者」として普及に努めた［7］。

その結果、1903年のノーベル化学賞が贈られた。受賞理由は「電離説による化学の進歩への重大な貢献」である［7］。なお、電離説を明確に述べた論文の年は、1883・1884・1887年と資料によって食い違う。この記事の1884年は、学位論文の提出年に限る。

電離説は評価が定まるまでに時間がかかった。では、いま、この考えはどこで実際に役立っているのか。

こうじょうでは、しおみずに おおきな でんきを ながして、あたらしい ものを つくって います。えんそ、すいそ、そして かせいソーダ（すいさんかナトリウム）です［9］。

ここでも、イオンが うごいて でんきを はこんで います。ただし、えんそは どくの あるガスなので、おうちや がっこうで、まねして やっては いけません。

工場では、食塩水に電気を流して、役に立つものを作っています（食塩電解）。陽極では塩素、陰極では水素と水酸化物イオンができ、陰極側には水酸化ナトリウム（カ性ソーダ）を含む溶液ができます［9］。

この方法の一つ、イオン交換膜法では、陽イオンだけを通す膜で両極を仕切り、できたものが混ざらないようにします［9］。

ここでも、動けるイオンが電気を運ぶという考え方が土台にあります。ただし、実験で電気をたくさん流すと塩素が出るため、家庭や学校で試すものではありません。

食塩水の電気分解（食塩電解）では、陽極室で塩素が発生し、陰極室で水素が発生して水酸化物イオンが生成する。その結果、陰極側に水酸化ナトリウム（カ性ソーダ）を含む溶液ができる［9］。

イオン交換膜法は、陽イオンだけを通す膜で陽極側と陰極側を仕切る方式で、できた物質の混ざりを避けられる［9］。ナトリウムイオンが膜を移動して陰極側へ運ばれることは、溶液中のイオンが電荷の運び手になるという見方と一致する。

なお、電気を多く流すと塩素が出るため、この過程は家庭や学校で再現する実験としては扱わない。

きょう できること

おうちに ある のみものや たべものの ラベルを みて みましょう。「ナトリウム」や「カリウム」という なまえが かいて あることが あります。しおを とかした みずの なかの イオンと、おなじ なかまの なまえです。

でんちと 豆電球で みずを しらべる じっけんは、でんきぶんかいで あぶない ガスが でる ことが あるので、ここでは すすめません。

でかけて できること

おみせで ミネラルウォーターの ラベルを みて、ナトリウムなどの かずを くらべて みましょう。

公式こうしきの じょうほう

がっこうの りかの きょうかしょで、「でんかいしつ」を さがして みましょう。

今日できること

家にある飲み物や食品の成分表示（ラベル）を読みます。「ナトリウム」「カリウム」「マグネシウム」などの名前が並んでいることがあり、水に溶けているイオンの種類の手がかりになります。

電池と豆電球で食塩水などを調べる実験は、電気分解で有害な気体が出ることがあるため、ここでは勧めません。

出かけてできること

スーパーで、ミネラルウォーターの成分表示を見比べます。ナトリウムやカリウムなどの名前が並ぶことがあり、水に溶けているイオンの種類の手がかりになります。

公式情報

学校の理科の教科書や資料集で「電解質」「電離」の項目を読むと、水溶液の種類ごとの比べ方が載っています。

今日できること

家にある飲み物や食品の成分表示を読み、ナトリウム・カリウム・マグネシウムなどの表記を探す。水溶液に電極を入れて通電する実験は、電気分解で塩素などの有害な気体が出うるため、ここでは扱わない。

出かけてできること

ミネラルウォーターの成分表示で、ナトリウム・カリウムなどの量を確認し、水中のイオンの種類の手がかりにする。

公式情報

Zheng et al., Scientific Reports（2018）は海水の電気伝導率の測定を扱う原典で、英語である（出典［4］）。電離説の経緯はコトバンクの「アレニウス」（出典［7］）が入り口になり、イオンの語源は出典［8］に載っている。