酸解離定数一覧とpKaで見る土壌pHと肥料の吸収効率

酸解離定数の一覧

酸解離定数(pKa)とpHの関係：肥料の吸収効率が決まる仕組み

農業の現場で「土壌pHを6.0〜6.5に合わせましょう」と耳にタコができるほど言われるのには、明確な化学的理由があります。その根拠となるのが酸解離定数（pKa）とpHの平衡関係です。

 

酸解離定数（Ka）およびその対数値であるpKaは、ある酸が水溶液中でどれくらい水素イオン（H+）を放出してイオン化しているかを示す指標です。簡単に言えば、「その物質が特定のpH環境下で、イオンの状態なのか、分子の状態なのか」を決定づける数値です。これがなぜ農業で重要かというと、植物の根や葉の表面にあるクチクラ層は、物質の状態によって透過性が全く異なるからです。

 

一般的に、植物の細胞膜や葉の表面にあるワックス層は脂溶性（油になじみやすい性質）が高いため、電荷を持たない「分子型（非解離型）」の物質を通しやすく、電荷を持った「イオン型（解離型）」を通しにくい傾向があります。pKaの値と現在のpHがわかれば、その肥料成分や農薬が今、吸収されやすい形なのか、弾かれやすい形なのかを予測することができます。

 

参考）http://www.sea-blena.com/faq3.htm
​
例えば、弱酸性の農薬や植物ホルモン剤を使用する場合、溶液のpHがその物質のpKaよりも低い状態であれば、分子型の割合が増え、葉面からの吸収効率が高まる可能性があります。逆に、pHがpKaよりはるかに高いと、物質はほぼ完全にイオン化してしまい、吸収効率が低下することがあります。このように、単に「pHを調整する」だけでなく、「対象物質のpKaに対してどちら側にpHを振るか」を考えることが、プロの施肥技術といえます。

 

また、土壌中においては、pHの変化によって肥料成分が土壌粒子に吸着されるか、土壌溶液中に溶け出すかが変わります。これも土壌コロイド表面の電荷と、肥料成分の解離状態（pKaに依存）の相互作用によるものです。土壌診断でpHだけでなく、主要な酸・塩基のpKaを理解しておくことは、無駄な施肥を減らす第一歩となります。

 

参考）https://bsikagaku.jp/f-knowledge/knowledge12.pdf
​

農業で役立つ主な酸・塩基の酸解離定数一覧表

農業現場で頻繁に登場する肥料成分、土壌改良資材、および有機酸の酸解離定数を整理しました。これらの数値は、混用時の沈殿防止や、pH調整の目安として非常に有用です。特に多価の酸（水素を複数持っている酸）は、pHによって主となるイオンの形態が変わるため、段階的な解離定数（pKa1, pKa2...）を意識する必要があります。

 

参考リンク：日本の農耕地土壌における可給態ケイ素の定量評価（J-Stage）
※上記の論文では、リン酸緩衝液や酢酸緩衝液を用いた土壌分析の基礎データとして、解離定数の重要性が示唆されています。

 

以下の表は、25℃環境下における一般的な酸解離定数の目安です。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

物質名	化学式	pKa1	pKa2	pKa3	農業上の重要性・備考
リン酸	H₃PO₄	2.12	7.21	12.67	肥料の三要素。pHによってH₂PO₄⁻とHPO₄²⁻の比率が変化し、吸収率や土壌固定に直結する。
硝酸	HNO₃	-1.4	-	強酸。通常の使用環境（水溶液中）ではほぼ100%解離して硝酸イオン（NO₃⁻）として存在する。
酢酸	CH₃COOH	4.76	-	食酢の主成分。pH4.7付近で緩衝作用を持つ。葉面散布や土壌還元消毒での有機酸生成に関与。
クエン酸	C₆H₈O₇	3.13	4.76	6.40	キレート作用を持つ。不溶化したリン酸や微量要素を可溶化させる働きがある。
炭酸	H₂CO₃	6.35	10.33	-	土壌中のCO₂濃度に関係。雨水が弱酸性（pH5.6程度）になる原因。石灰施用時のpH変化に関与。
アンモニア	NH₃	9.25	-	※共役酸であるアンモニウムイオン（NH₄⁺）のpKa。pH9.25以上で揮発性のNH₃ガスが増加し、肥料ロスにつながる。
次亜塩素酸	HClO	7.53	-	殺菌剤・農具洗浄。pH7.5以下で使用しないと、殺菌力の強い分子型（HClO）が減り、殺菌力が低下する。
ホウ酸	B(OH)₃	9.24	-	微量要素。通常の土壌pH（5.5-6.5）ではほとんど解離せず、分子型として吸収される特性がある。

この一覧からわかるように、多くの有機酸や肥料成分は、農業に適した弱酸性（pH5.5〜6.5）の領域で複雑な挙動を示します。例えば、アンモニア態窒素を含む肥料に石灰を混ぜてpHが高くなると、pKa9.25に近づくにつれてガス化（揮発）が進み、窒素成分が空中に逃げてしまうリスクが高まります。これを防ぐためにも、「石灰と窒素肥料は同時に撒かない」というセオリーが存在するのです。

 

葉面散布のpH調整：クエン酸と酢酸のpKa活用術

葉面散布は、根からの吸収が弱っている時や、急速な栄養補給が必要な時に行われる即効性のある技術です。しかし、ただ希釈して散布するだけでは効果が薄いことがあります。ここで「クエン酸」や「酢酸」のpKaを利用したpH調整テクニックが役立ちます。

 

葉の表面は水を弾くワックス層で覆われており、通常、水溶性のイオン物質は浸透しにくい構造になっています。しかし、クエン酸（pKa 3.13, 4.76, 6.40）や酢酸（pKa 4.76）などの有機酸を添加することで、散布液のpHを弱酸性に調整し、同時にキレート作用によってミネラル分の吸収を助けることができます。

 

参考リンク：クエン酸が作物に及ぼす影響とは？（環境エコブログ）
※クエン酸配合肥料の施用により、根圏のpHが下がり、リン酸等の吸収が増加した事例が紹介されています。

 

具体的な活用ポイントは以下の通りです。

• ミネラルのキレート化と中性化：

  カルシウムやマグネシウムなどの金属イオンは、クエン酸などの有機酸と結合（キレート）することで、電荷的に中性に近い複合体を形成しやすくなります。これにより、葉面のワックス層を透過しやすくなると考えられています。特に「酢酸カルシウム」の葉面散布は、トマトなどの尻腐れ予防において、単なるカルシウム剤よりも吸収が良いとされる報告がありますが、これは酢酸のpKa付近のpH環境下での分子挙動が関与しています。

   

  参考）（卒論要約）酢酸と酢酸カルシウムの葉面散布
  ​

• 散布液のpH5前後を目指す：

  一般的に葉面散布のpHは5前後が吸収に好都合とされています。これは多くの植物の生理的活性に適しているだけでなく、多くの農薬や植物ホルモン剤が弱酸性であり、このpH領域で適度な分子型比率を保てるためです。酢酸やクエン酸を加えることで、水道水（中性〜弱アルカリ性の場合がある）のpHを下げ、かつ緩衝作用によってpHを安定させる効果が期待できます。
  ​

• 微生物資材との併用注意：

  酢やクエン酸を使ってpHを下げすぎると、殺菌効果が発現する一方で、有用な微生物資材（バチルス菌など）の効果を阻害する可能性があります。多くの土壌細菌は中性付近を好むため、有機酸濃度を高めすぎないバランス感覚が必要です。

   

  参考）酢・クエン酸・アミノ酸を葉から吸収させる場合の、葉面微生物の…
  ​

土壌改良におけるリン酸の固定化と解離平衡のジレンマ

日本の土壌、特に黒ボク土において最大の課題の一つが「リン酸の固定化」です。施肥したリン酸の多くが効かなくなる現象ですが、これもリン酸の酸解離定数（pKa）と密接に関係しています。

 

リン酸（H₃PO₄）は3段階で解離しますが、土壌pHの範囲内（pH4〜8）で主に関係するのは、第一解離定数（pKa1=2.12）と第二解離定数（pKa2=7.21）の間です。

 

• pHが低い場合（酸性土壌）：

  pHが低い環境では、リン酸はH₂PO₄⁻（リン酸二水素イオン）の形態が多くなります。しかし、日本の酸性土壌には活性アルミニウムや鉄が多く存在します。これらは酸性条件下で溶出しやすく、H₂PO₄⁻と強固に結合して難溶性の化合物（リン酸アルミニウムなど）を作ってしまいます。これが「リン酸固定」の正体です。

   

• pHが高い場合（アルカリ性土壌）：

  逆に石灰を撒きすぎてpHが高くなると、pKa2の7.21に近づき、HPO₄²⁻（リン酸一水素イオン）の比率が増えます。この形態はカルシウムイオンと結合しやすく、難溶性のリン酸カルシウム（アパタイトに近い構造）を形成して沈殿します。これもまた、作物が吸収できない形です。

   

  参考）https://www.agri.metro.tokyo.lg.jp/files/R4_dojyousindan.pdf
  ​

つまり、リン酸を効かせるための「ストライクゾーン」は非常に狭いのです。一般に、リン酸の肥効が最も高まるのはpH6.0〜6.5付近とされています。これは、アルミニウムとの結合リスクを減らしつつ、カルシウムとの沈殿も回避できる絶妙なバランスの上に成り立っています。

 

参考リンク：土壌診断基準とリン酸吸収係数（東京都農業振興事務所）
※リン酸吸収係数が高い土壌での改良方法として、く溶性リン酸肥料の利用などが推奨されています。

 

また、ここで「クエン酸」などの有機酸資材が再登場します。クエン酸の酸解離定数はリン酸と競合する範囲にあり、土壌中のアルミニウムや鉄と優先的に結合（キレート）してくれます。これにより、リン酸がアルミニウムに捕まるのを防ぎ（マスキング効果）、リン酸の利用効率を高めることができるのです。これを「キレートによるリン酸の可溶化」と呼びます。

 

【独自視点】温度変化が酸解離定数と薬効に与える影響

多くの教科書やデータシートに載っている酸解離定数（pKa）は、標準的な「25℃」での値です。しかし、農業は自然相手であり、冬場のハウス栽培では地温が10℃〜15℃になることもあれば、夏場の液肥タンク内は30℃を超えることもあります。この「温度変化」が酸解離定数、ひいては薬効に与える影響は見落とされがちです。

 

化学平衡論において、温度変化は解離定数（pKa）をわずかに変化させます。一般に、吸熱反応を伴う解離であれば温度上昇とともに解離が進みます。しかし、農業現場でより重要なのは、「温度による反応速度の変化」と「pKaのシフトによる有効成分濃度の変化」の複合作用です。

 

特に顕著な例が、養液栽培や器具洗浄で使われる「次亜塩素酸（HClO）」です。

 

次亜塩素酸のpKaは約7.5（25℃）ですが、殺菌力の主役である非解離型のHClOは、pHが高いと解離型のOCl⁻（次亜塩素酸イオン）になり、殺菌力が激減します（OCl⁻の殺菌力はHClOの約1/80とも言われます）。

 

冬場の低温時（水温10℃など）では、化学反応速度自体が低下するため、25℃の時と同じ濃度・同じ接触時間では十分な殺菌効果が得られないことがあります。さらに、pKaの値自体も温度によってわずかに変動するため、厳密なpH管理が求められる場面では、「いつものpH設定」が「冬場には最適ではない」可能性があるのです。実際、次亜塩素酸の殺菌力は温度が10℃上昇するごとに約2倍増加するという報告もあります。

 

参考）https://agriknowledge.affrc.go.jp/RN/2010935843.pdf
​
また、土壌還元消毒において、フスマや米ぬかを使って土壌を還元状態にする際も、温度が重要です。有機酸（酢酸や酪酸）の生成は微生物による発酵プロセスですが、地温が30℃〜40℃確保されている時と、20℃程度しか確保できない時では、有機酸の生成速度（＝pHの低下速度）と、その後の還元状態への移行スピードが全く異なります。

 

参考）http://jppa.or.jp/archive/pdf/64_09_01.pdf
​
単に「マニュアル通りの希釈倍率とpH」を守るだけでなく、「今の水温・地温で、その化学反応は適切に進むのか？」という視点を持つことが、異常気象や極端な環境下での栽培成功率を高める鍵となります。特に冬場の葉面散布や殺菌処理では、タンクの水を少し温める、あるいは接触時間を長く取るといった工夫が、pKaの理屈を補完する現場の知恵となります。