イオン電極を用いるイオンの測定について述べる前に、水溶液中のイオンについて少し説明しておきます。

 「pH測定の基礎 - 酸性・アルカリ性の概念」で、「水はH2Oという分子式であらわされ、そのほとんどはH2Oという非常に安定した分子の形で存在しますが、ごく一部が水素イオンH+と水酸化物イオンOH-に分かれた形で存在します」と述べました。
水が常温でこのような形で存在することに起因して、水は多くの物質を溶解します。(「水と油」のことわざのように、溶け合わない物質もありますが…)。ここで水に砂糖を溶かした場合と食塩を溶かした場合の両者の性質の違いを見てみましょう。
水に砂糖、特に純度の高いグラニュー糖を溶かした場合、この砂糖水の電気(正しくは電流)の流れやすさは元の水とあまり変わりません。一方、食塩を溶かすとこの塩水(しおみず)では電気がたいへん流れやすくなります。なぜでしょうか。
その理由は水の中で糖類(たとえばブドウ糖C6H12O6)はイオンになっていませんが、食塩(NaCl)は完全にイオン、すなわちナトリウムイオンNa+と塩化物イオンCl-になっているからです。つまり、これらのイオンの存在により電流が流れやすくなったのです。詳しい理由は省きますが、元々ナトリウム原子Naは電子e-を1個手放してナトリウムイオンNa+になりやすく、一方塩素原子Clは電子e-を1個取り込んで塩化物イオンCl-になりやすい性質があります。このNa+とCl-が互いに電気的に引き合ってくっついたものが食塩(NaCl)です。この形の物質を「イオン結合物」と言います。
一方、糖類は炭素原子、水素原子および酸素原子が少々複雑な形でそれぞれの電子の一部(荷電子)を共有してできた化合物、すなわち「共有化合物」であり水に溶けても水中でイオンに分かれることなくそのままの形で存在します。見かけ上同じように水に溶ける糖類と食塩ですが、水の中でイオンになるかどうかで大きな違いがあります。

以下の模式図はこれらの事を説明したものです。

人間の血液、リンパ液などに含まれ、浸透圧など生理作用上重要な役割を果たしているナトリウムイオンNa+、カリウムイオンK+、塩化物イオンCl-、炭酸水素イオンHCO3- などは、医学、生理学分野の専門用語で「電解質」と呼ばれています(この電解質という用語は、物理・化学の分野ではもう少し広く、端的に言えば種々のイオン類すべてとの概念で捉えられている)。
また、+の電荷を持ったイオンを「陽イオン」、-の電荷を持ったイオンを「陰イオン」と言います。なお、イオンになるときに出入りする電子の数を「価数」と言い、1価、2価、3価と数えます。Na+は1価の陽イオン、Cl-は1価の陰イオン、Ca2+は2価の陽イオン、SO42-は2価の陰イオン、Fe3+は3価の陽イオン、PO43-は3価の陰イオンです。さらにそれ以上の価数のイオンもあります。水中に存在する陽イオンと陰イオンのそれぞれの電荷の総和は常に等しく、したがって外部から見ると電気的に中性になっています。

以上の説明で「イオンとは何か」の概要を把握していただければ幸いです。

次項で述べますが、これらのイオンをイオンの形のままで手軽に測定することを目的として開発されたのがイオン電極です。



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