アクイオン

アクイオン
初回リリース	2012年1月1日 （2012年1月1日）
安定版リリース	バージョン 8.7 / 2025年10月
書かれた	C++
オペレーティング·システム	ウィンドウズ
サイズ	15MB
入手可能な	英語、ドイツ語
Webサイト	aqion.de

Aqionは水化学ソフトウェアツールです。PhreeqC ^{[ 1 ]}などの科学ソフトウェアと、日常業務における「単純な」水関連タスクの計算・処理との間のギャップを埋める役割を果たします。Aqionは、個人ユーザー、教育機関、企業向けに無料で提供されています。

動機と歴史

まず、水化学ソフトウェアのほとんどは専門家や科学者向けに設計されています。急峻な学習曲線を緩和するために、Aqionは「化学ポケット計算機」の形で水に関する基本的なトピックへの入門を提供しています。

第二に、このプログラムは2つの用語概念を仲介します。計算は熱力学の「科学的領域」（活量、スペシエーション、log K値、イオン強度など）で行われ、その後、出力は一般的に使用される「言語」、すなわちモル濃度と質量濃度、アルカリ度、緩衝能、水の硬度、導電率などに翻訳されます。

歴史。バージョン1.0は2011年に半年間テスト運用した後、2012年1月にリリースされました。プロジェクトは現在も活発に活動しており、月に1～2回のアップデートが行われています。

特徴

• 水溶液の検証（電荷バランス誤差、パラメータ調整）
• 物理化学的パラメータを計算します：アルカリ度、緩衝容量（ANC、BNC）、水の硬度、イオン強度
• 水溶液中の化学種と錯体形成を計算する
• 化学物質（酸、塩基、塩）を加えた後の溶液のpHを計算します。
• 方解石炭酸塩系（閉鎖/開放CO ₂系、ランゲリア飽和指数）を計算します
• 鉱物の溶解、沈殿、飽和指数を計算します
• 2つの水の混合を計算します
• 還元酸化（レドックス）反応を計算する
• 滴定曲線をプロットする

応用分野

• 水質分析と水質
• 地球化学モデリング（最も単純な形）
• 教育

適用範囲

• 無機化学のみ（有機化学はなし）
• 平衡熱力学のみ（化学反応速度論はなし）
• イオン強度が0.7 mol/L以下の水溶液のみ^{[ 2 ]} （塩水は不可）

基本アルゴリズムと数値ソルバー

水化学には、質量作用の法則（LMA）とギブスエネルギー最小化（GEM）という2つの基本的なアプローチがあります。 ^{[ 3 ]} aqionプログラムはLMAアプローチのカテゴリに属します。簡単に言うと、N _B個の独立した基本成分j （つまり一次種）が結合してN _S個の二次種iを形成するシステムは、質量作用方程式と質量収支方程式のセットによって表されます。

（１）質量作用の法則：               i = 1 ... N _S${\displaystyle \{i\}\,=\,K_{i}\,\prod _{j=1}^{N_{B}}\,\{j\}^{\nu _{i,j}}}$

（２）質量バランス則：               j = 1 ... N _B${\displaystyle [j]_{TOT}\,=\,[j]+\sum _{i=1}^{N_{S}}\,\nu _{i,j}\,[i]}$

ここで、 K _iは二次種iの生成平衡定数であり、ν _{i,j は二次種}iにおける基本種jの化学量論係数を表す（ν _j,iの値は正または負の値をとる）。ここで、活性a _iは中括弧 {i} で、濃度c _{i は}角括弧 [i] で表す。両量は、

（３）活動補正：        ${\displaystyle \{i\}\,=\,\gamma _{i}\,[i]}$

ここで、γ _{i は}デバイ・ヒュッケル方程式および/またはデイヴィス方程式によって計算された活量係数である。式(1)を式(2)に代入すると、 j番目の基底種に対する非線形多項式関数f _jが得られる。

（4）       ${\displaystyle f_{j}(c_{1},c_{2},...,c_{N_{B}})\,=\,[j]_{TOT}-[j]-\sum _{i=1}^{N_{S}}{\frac {\nu _{i,j}}{\gamma _{i}}}\,K_{i}\,\prod _{k=1}^{N_{B}}\{k\}^{\nu _{i,k}}\,=\,0}$

これはニュートン・ラプソン法の目的関数である。

式(4)を解くために、aqionはオープンソースソフトウェアPhreeqCの数値ソルバーを採用している。^{[ 1 ] [ 4 ]} 平衡定数Ki_は熱力学データベースwateq4fから取得される。 ^{[ 5 ]}

例、テスト、検証

ソフトウェアaqionには、一連の例題（入力水）と、典型的な水関連問題の解き方を解説したチュートリアル（約40の例題を含むオンラインマニュアル）が付属しています。テストや再実行のためのさらなる例題や演習は、水化学の古典的教科書に掲載されています。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

このプログラムは特定の業界標準のベンチマークテストによって検証されました。^{[ 9 ]}

スクリーンショット

• 
  化学元素の入力パネル
• 
  pH計算機の出力（例）
• 
  方解石炭酸塩系の計算パラメータ
• 
  滴定曲線（例：与えられた入力水へのNaOHの添加）

参考文献

1. Parkhurst, DLおよびCAJ Appelo: PHREEQC（バージョン2）ユーザーズガイド、化学種分化、バッチ反応、一次元輸送、逆地球化学計算のためのコンピュータプログラム。USGS水資源調査報告書99-4259、1999年
2. 注: 上限は海水です。
3. http://www.kristall.uni-frankfurt.de/media/handouts/GEM-lecture.PDF
4. 注: 区別するために、PhreeqC の数値ソルバーはaqion.exeから別のDLLにアウトソーシングされています。
5. Ball JWとDK Nordstrom：WATEQ4F –「天然水中の主要、微量、酸化還元元素のスペシエーションを計算するための改訂された熱力学データベースとテストケースを備えたユーザーマニュアル」、 USGSオープンファイルレポート90-129、185ページ、1991年。
6. Stumm, W. および JJ Morgan:水生化学、天然水中の化学平衡と速度（第 3 版）、John Wiley & Sons, Inc.、ニューヨーク、1996 年、 ISBN 978-0471511854
7. Morel, FMMおよびJG Hering:水生化学の原理と応用（第2版）、John Wiley、ニューヨーク、1993年、 ISBN 978-0471548966
8. Appelo、CAJ、D. Postma:地球化学、地下水、汚染。テイラー＆フランシス、2005、 ISBN 978-0415364287
9. DIN 38404-10: 水、廃水および汚泥の検査のためのドイツ標準方法 - 物理的および物理化学的パラメータ（グループC） - 水の方解石飽和度の測定（C 10）

外部リンク

• PHREEQC
• pH、水溶液の化学種、飽和指数、アルカリ度、ECのオンライン計算機