Guinguette Marais Poitevin

リトマス紙は、化学指標の中でも最も認知度の高いものです。 ほとんどのpH紙と同様に、リトマスは酸性または塩基性の溶液に触れると色が変わります。 pHスケールは0～14まであり、0が最も酸性、7が中性、14が最も塩基性またはアルカリ性となっています。 リトマス紙は、理科教育の現場でよく使われている。 このように広く認知されているため、社会的にも文化として定着しています。 一つの要素が結果を決定するテストを指すとき、リトマス試験という言葉を使うのが一般的です。

背景

リトマス試験紙を使って、試料のpHを評価することができます。 pHとは、水素イオンの濃度に基づいて、物質の相対的な酸性または塩基性の性質を示す方法です。 イオンとは、電荷を帯びた原子のことで、環境に対して反応性があります。 酸性物質は、水中で水素イオン（H+）を放出する。 酸性物質はプロトン供与体として知られています。これは、H+イオンが正の電荷を持つプロトンを1つ余分に持ち、負の電荷を持つイオンと結合することで自身を安定させようとするためです。 塩基性物質は、水中で水酸化物イオン（OH-）を放出します。 塩基性物質は、水酸化物イオンが自分自身を安定させるためにプロトンを受け入れるので、プロトン受容体と呼ばれます。 興味深いことに、酸と塩基を組み合わせると、中性の塩になります。 例えば、塩酸のような強酸と水酸化ナトリウム（強塩基）を組み合わせると、中和反応が起こり、副産物として塩化ナトリウム（食卓塩）と水が生成されます。

ほとんどの生命体は生存できるpHの範囲が非常に狭いため、pHは重要な生物学的指標となります。 例えば、人間の体内の酸塩基比は微妙なバランスを保っています。 例えば、人間の体内の酸塩基比は微妙なバランスを保っており、血液のpHがわずかに変化しただけで死に至ります。 また、植物は土壌のわずかなpHの変化にも影響を受けやすい。 そのため、植物にとって酸性すぎる土は、塩基である炭酸カルシウムの肥料で中和されます。

単純なpHスケールは0〜14まであり、7が中性です。 7より小さい数字は酸性で、7より大きい数字は塩基性とされています。 数字が小さいほど酸性の溶液となります。 つまり、pHが1の物質は、pHが4の物質よりも、他の分子やイオンにプロトンを供与する能力が高いということになります。 そのため、硫酸は強酸、酢酸は弱酸とされています。 同様に、塩基にも強塩基と弱塩基があります。 水酸化カリウムのように水酸化物イオンを多く含む強塩基は、アンモニアのような弱塩基よりも容易にプロトンを受け入れる。 その数が多ければ多いほど、強い塩基となります。

リトマス紙は、物質が酸性か塩基性かを示すのに有効ですが、正確なpH値を数値で示すことはできません。 そのため、ユニバーサルインジケーターやpHメーターを使用します。 ユニバーサルインジケーターは様々な素材で構成されており、それぞれが異なるpH値で異なる色に変化するため、観察者は対象となる溶液がpHスケールのどの位置にあるかをより正確に判断することができます。 ユニバーサルインジケーターは、紙に染み込ませてpHペーパーにしたり、液体のまま使用することもできます。 各ユニバーサルインジケータには、特定の色とpH範囲を関連付ける参照カラーカードが付属しています。 一般的に、ほとんどのユニバーサルインジケータは、pHスケールの2つの値の範囲内で正確です。 例えば，緑色の結果は，pHが8〜9であることを示している。 つまり、ユニバーサルインジケータは、サンプルのpHを一定の範囲内で定量的に決定することができるのです。

pHメーターは、電気を使ってpHを数値化することで、より正確な定量を可能にします。 試料の中にプローブを入れて、プローブに電流を流します。 電気はマイナスの電荷を持つ電子で構成されているため、メーターに流れる電流の力は、水素イオンの濃度に正比例する。 溶液中のH+イオンが多ければ多いほど、メーターに流れる電流も多くなります。 そしてこの数値は、観察者が読み取ることのできるpHの数値に変換されます。

歴史

リトマスの語源は、古ノルド語で「染める、色をつける」という意味です。 リトマスの原料である地衣類は、何百年もの間、布を染めるのにも使われてきたので、この言葉はぴったりです。 リトマスの始まりについては、ほとんど情報がありません。 リトマス紙を開発したのは、1800年代初頭のフランスの化学者、J.L.ゲイ＝リュサックであるというデータがあります。 ゲイ＝リュサックは、「結合体積の法則」で知られている。これは、一定の温度と圧力のもとで気体が生成したり、互いに反応したりすると、その体積は小さな整数比になるというものだ。 言い換えれば、気体が結合するとき、温度と圧力が同じであれば、常に同じように結合するということです。

原料

リトマス紙の主な原料は、木材セルロース、地衣類、補助化合物である。 リトマス紙は、その名の通り、主に紙でできている。 リトマス紙の原料となる紙には、測定する系のpHを変化させる可能性のある汚染物質が含まれていないことが必要です。 一般的な紙と同様に、リトマス紙は木材のセルロースから作られています。 木材は、樹脂分やリグニンを除去するために、製紙の前に溶剤で処理されます。 アメリカでは、硫酸ナトリウムや硫酸マグネシウムなどの硫酸塩がよく使われています。

リトマス紙が酸や塩基に触れると色が変わるのは、リトマス紙に地衣類が付着しているからです。 植物の世界では、地衣類は、実際には菌類と藻類という2つの異なる生物が1つになっているという点でユニークです。 植物学者が地衣類を菌類に分類しているのは、有性生殖を行うのは菌類であると考えられているからです。 しかし、地衣類にはそれぞれ固有の名称があります。 これまでに約15,000種類の地衣類が確認されている。 地衣類は、岩や木、壁、土の中、水中など、ほぼすべての地域で見ることができます。 地衣類は様々な汚染物質に敏感であることから、環境の質を測る尺度としてよく用いられます。 リトマスの原料となる地衣類には、地中海原産のロセラ・ティンクトリアや、オランダでよく見られるレカロラ・タルタレアなどがあります。 実際、オランダはリトマス紙製品の最大の生産国の1つです。

デザイン

リトマス紙をはじめとするpHインジケーターの多くは、理科学用品店で販売されています。 リトマス紙には、赤と青の2種類があります。 リトマス紙の自然な色は青です。 酸性の溶液に入れると、青色の紙が赤色に変わります。 赤いリトマス紙は、作るときにまず酸を混ぜる。 これにより、紙は赤く見えるようになる。 塩基があるところに置くと、紙は自然な青い色に戻ります。

製造工程

リトマス紙の製造は、製紙業と共通する部分が多い。 木材パルプを紙にして、その紙に地衣類の溶液を染み込ませ、乾燥させて包装するという工程である。

木材パルプの変換

• 1 この最初のステップでは、木材を細断し、溶剤と水を加えて蒸気圧をかけて混合します。 これが木材パルプである。 このパルプを金網のベルトの上に広げ、ローラーの上を通過させます。 これにより、
  

  乾燥させて紙にするための薄い層です。 ベルトの下には木箱があり、水滴を受け止めています。 この水の中には救える繊維があるので、パルプと再び混ぜ合わせます。

• 2 乾燥を早めるために、ベルトの下に空気吸引ポンプを設置しています。 ベルトに沿って進む紙は、ダンディロールと呼ばれる網や金の筒の下を通る。 ダンディロールの目的は、紙に織り目や透かしを入れることで、紙のグレードやメーカーを識別することです。 その後、紙はフェルトで覆われた2本のロール（カウチンロール）の間に押し込まれ、水分を押し出して繊維を結合させる。
• 3 このカウチンロールから、2組の滑らかな金属製プレスロールに通され、紙は滑らかな仕上がりになります。
• 4 加熱されたローラーで紙を完全に乾燥させ、回転するカッターで切断し、リールに巻き取ります。

地衣類の注入

• 4 紙のpHを上げるために、地衣類を主成分とする水溶液を注入します。 これは、紙を水溶液の中に通すことで行われます。 紙は水溶液を吸収した後、発酵させて乾燥させます。
• 5 炭酸カリウムとアンモニアの存在下で地衣類を発酵させます。 発酵後の塊は青い色をしており、これをチョークと混ぜる。 青いリトマス紙は、白い紙に上記のリトマス混合物の注入液を染み込ませて作られる。 この紙は空気中で注意深く乾燥させる。 赤リトマスも同様に調製されますが、赤に変えるために少量の硫酸または塩酸を加えます。

包装

• 6 調製されたリトマス紙は、最終的な包装ステーションに送られます。 リトマス紙は通常、あらかじめカットされた短冊状で販売される。 メーカーは、ストリップを再封可能なプラスチック製のバイアルに入れます。 リトマス紙に液体が接触すると指示薬の色が変わる可能性があるため、包装によってストリップが湿気にさらされないようにすることが重要です。 一般的ではありませんが、ユーザーがカットできるロール状のリトマス紙を購入することもできます。 また、メーカーはリトマス紙のパッケージに使用方法を記載した説明書を同封しており、正しい使い方を知ることができます。 万能指示薬の場合には、説明書だけでは不十分です。 また、カラーリファレンスカードが付属しているので、ユーザーはテスト結果とリファレンスカードを照合してpHを決定することができます。

今後の展開

リトマス紙は、そのリーズナブルな価格と使いやすさから、今後も教育現場で広く使われていくことでしょう。 しかし、地衣類の中には絶滅してしまうものもあります。 そのため、リトマス紙のメーカーは将来的に合成素材に切り替える可能性がある。 これは、他の種類のpH紙のメーカーがすでに行っていることです。 また、リトマスは定量的な結果が得られないため、他のpH紙やpHメーターの代わりにはならない。 実際には、より正確で主観的でないpHインジケーターを作るのがトレンドである。 その一つが、pHメーターに光ファイバープローブを採用し、より高感度なものを作ることです。