【手計算・Excel】pHとは？計算方法は？
当サイトのメインテーマであるリチウムイオン電池において、たとえば正極作製時に水分が混入すると活物質中に含まれる反応しやすいLi不純物と反応することがあります。
このとき、電池内部はアルカリ性になり、電池性能に悪影響を与えます。
アルカリ性・酸性などといった言葉は専門用語ではpH（ペーハー・ピーエイチ）とよび、化学的な解析をする上で重要な用語です。
ここででは、pH（ペーハー・ピーエイチ）に関する以下の内容を解析していきます。
・pHとは何か？
・手計算でpHの計算を行ってみよう！【演習問題】
・Excelを使用してpHの計算を行ってみよう！【演習問題】
について解説しています。
pHとは何か？pHの定義や水素イオン濃度とは？
pHとは「ペーハー」「ピーエイチ」と呼ばれ、別名水素イオン指数や水素イオン濃度指数とも表される、水素イオン（H+）の濃度との関係を表します。
このpHの大きさによって、その溶液が酸性か、中性か、アルカリ性かすぐに判断が付きます。
pHの定義式
pHは以下のように定義されます。
厳密には活量を用いて（活量：ある系の成分iの粒子数/全体の粒子数）計算しますが、一般的に希薄溶液下では溶質の活量は、モル濃度に近似して扱います。
よって、一般的に使用されるpHは以下のように、水素イオン濃度の対数をとってを用いて表されます。
例えば、ある溶液中の水素イオン濃度が[H+]=10^(-5) mol/Lであったら、pH＝5となります。
pHと酸性、中性、アルカリ性
下図のように、pHは0~14までの値で表され、
・0~6：酸性
・6~8：中性
・8~14：アルカリ性
と分類されています。
0に近づくほど、強い酸性を示し、14に近づくほど強いアルカリ性を示します。
こちらで解説している鉛蓄電池中の電解液のpHは0に近く、非常に強い酸性を示すため、
非常に危険ですので、気を付けましょう。
pHの評価方法
それでは、実際にある溶液のpHを測定する場合はどうすれば良いのでしょうか？
①リトマス紙
リトマス紙のことはご存知でしょうか？
赤色と青色の2種類のリトマス紙があり、酸性か中性かアルカリ性かのみの判断に使用され、その強さは判断できません。
酸性：青色リトマス紙が赤色に変色
アルカリ性：赤色リトマス紙が青色に変色
中性：青色リトマス紙も赤色リトマス紙も両方とも変色せず
と判断できます。
おおよその目安が知りたいときや、酸やアルカリを中和させ廃棄したいときに、中性になっているかどうか等の判断に使用すると良いでしょう。
②pH試験紙
溶液のpHに応じて色が変色する指示薬を紙中に含ませ、乾燥したものがpH試験紙です。
pHに対応してpH0では赤から、橙→黄→緑（中性：pH7）→青→藍→紫（pH14)と色が変化していきます。
pHインジケータと呼ばれる、pH試験紙で変化した色と対応するpHの関係がわかる色の見本と、pHを測定したい溶液につけ色が変色したpH試験紙を比べることでpHを算出します。
③標準水素電極との電位差測定
H+/H2系の電子授受平衡が成り立つ電位（SHE）との電位差を測定し（標準電極電位）、以下のネルンストの式に当てはめることで[H+]、つまりpHを算出できます。
このH+/H2系の電子授受平衡が成り立たせるために使用する基準となる電極のことを標準水素電極と呼びます。
ここで左辺の活量は[H+]、右辺の活量はH2の分圧pH2を使用することに気を付けましょう。
このpHを測定する方法としてphセンサー（pHメーター）とよばれるものがあり、簡易的なpH測定が可能です。
関連記事
活量、化学ポテンシャルとは？
標準電極電位とは？
ネルンストの式とは？
phセンサー（pHメーター）とは？測定原理とは？
pHの計算を行ってみよう！その1【演習問題】
それでは、pHの計算問題を解いてみましょう。
例題
濃度が0.5mol/Lである塩酸があり、塩酸の電離度は1であるとします。
（塩酸や硫酸のように、電離度がほぼ1と高いものを強酸と呼びます。逆に、酢酸のように電離度が低いもののことを弱酸と呼びます）
このときの塩酸のpHを算出しましょう。
解答
まずは塩酸の水素イオン濃度[H+]を算出しましょう。
水素イオン濃度は 濃度と価数と電離度を掛け合わせたものであるため、[H+] = 0.5 × 1 × 1 = 0.5 mol/Lとなります。
関数電卓などを使用して、pH = - log10 (0.5) = - (log10 5 - log10 10) = 1 - log10 5 = 1 - 0.699 = 0.301
となります。
Excelを使用すると以下のように=log10関数を使用することで簡単に解けます。
すると、計算結果は以下の通りとなります。上の関数電卓での計算結果と一致していることがわかります。
関連記事
活量、化学ポテンシャルとは？
標準電極電位とは？
ネルンストの式とは？
phセンサー（pHメーター）とは？測定原理とは？
pHの計算を行ってみよう！その2【演習問題】
それでは、pHの計算問題を解いてみましょう。上では塩酸という価数が1である液体を扱いましたが、以下では硫酸という価数が2（H2So4であるため）である液体について考えてみましょう。
※硫酸は鉛蓄電池における電解液（水系）に使用されています。
例題
濃度が0.2mol/Lである硫酸があり、硫酸の電離度は1であるとします。
このときの硫酸のpHを算出しましょう。
解答
まずは硫酸の水素イオン濃度[H+]を算出しましょう。
水素イオン濃度は 濃度と価数と電離度を掛け合わせたものであるため、[H+] = 0.2 × 2 × 1 = 0.4 mol/Lとなります。
関数電卓などを使用して、pH = - log10 (0.4) = - (log10 5 - log10 10) = 1 - log10 4 = 1 - 0.602 = 0.398
となります。
関連記事
活量、化学ポテンシャルとは？
標準電極電位とは？
ネルンストの式とは？
phセンサー（pHメーター）とは？測定原理とは？
鉛蓄電池の構成・特徴・反応
【手計算・Excel】pHとは？計算方法は？ 関連ページ
- イオンとはそもそも何のこと？その１ イオン発見の歴史と原子の構造と原子番号、質量数
- 酸化とは？還元とは？酸化還元の定義その1、その2
- 酸化還元の定義その3とまとめ
- 電池とは？ボルタ電池の構成と反応
- ダニエル電池の構成・仕組み・反応式は？正極・負極の反応は？素焼き板の役割は？
- イオン化傾向とは？
- 同位体の存在比とは？計算問題を解いてみよう【銅や塩素の質量】
- 分子量の求め方 アンモニア・メタン・尿素などの分子量を計算してみよう【演習問題】
- 原子量・分子量・式量の違いは？
- アレニウス・ブレンステッド・ルイスの酸・塩基の定義と違いは？
- 電池の電極の質量変化を計算してみよう【ダニエル電池の質量変化】
- 絶対質量と相対質量 相対質量の計算方法（絶対質量との変換）
- ルシャトリエの法則（原理）とは？
- 電気分解とは？塩化銅水溶液（CuCl2）における電気分解の反応式 陽極・陰極での反応式 陽極、陰極、正極、負極の違いと覚え方（見分け方）
- 水の電気分解の仕組み・反応式 陽極・陰極での反応式 水酸化ナトリウムを入れる理由は？
- ヘスの法則と熱化学方程式の関係 計算問題を解き、反応熱を求めてみよう【演習問題】
- ボルンハーバーサイクルとは？イオン結晶の格子エネルギー（格子エンタルピー）を計算してみよう
- 同位体と同素体の違いは？
- 物質量とモル質量の違いは？計算問題を解いてみよう【演習問題】
- 乾燥剤と気体の酸性・塩基性・中性とは？
- 気体の酸性度 酸性気体、中性気体、塩基性（アルカリ性）気体
- 潮解性・吸湿性・脱水性の違いは？
- 生石灰と消石灰とは？分子式（化学式）や用途の違い 生石灰と水との反応式は？
- ソーダ石灰の性質や塩基性（アルカリ性）の乾燥剤としての役割（アンモニアや二酸化炭素は吸収できる？）
- 単体、化合物、純物質、混合物の定義や違い
- 気体の水溶性と気体の収集方法（上方置換、下方置換、水上置換）
- 塩化水素が水に溶けやすい理由は？
- アンモニアが水に溶けやすい理由は？
- 「原子量・分子量・式量」とモル質量との違い
- 物質量（モル：mol）とアボガドロ数の違いや関係は？ 計算問題を解いてみよう
- コロイドの性質 チンダル現象・ブラウン運動・電気泳動とは？
- クメン法とは？クメンヒドロペルオキシドを経由してフェノールを合成する方法
- 過酸化水素に二酸化マンガンを加えた時の反応式は？
- 疎水コロイド・親水コロイド・保護コロイド 凝析と塩析とは？
- 十酸化四リンの化学式、分子式（P4O10)、構造式は？ 十酸化四リンと五酸化二リンの違いは？
- 乾燥剤である十酸化四リンが使用できない物質は？ 潮解性や脱水作用を持つのか？
- リンの同素体 黄リンと赤リンの違いは？
- 分子結晶と共有結晶（共有結合性結晶）の違いは？
- 酸素の同素体 酸素とオゾンの違いは？
- 炭素の同素体 黒鉛（グラファイト）・ダイヤモンド・フラーレンの違いは？
- 浸透圧とファントホッフの式 計算問題を解いてみよう【演習問題】
- イオン結晶とイオン結合 イオン結晶の融点・沸点・電気伝導性などの性質
- 金属結晶と金属結合 金属結晶の融点・沸点・電気伝導性などの性質
- 自由電子と価電子の違いは？
- 共有結晶（共有結合結晶）と共有結合 共有結晶の融点・沸点・電気伝導性などの性質
- 分子結晶と分子間力 分子結晶の融点・沸点・電気伝導性などの性質
- 配位結合とは？配位結合の強さと矢印の書き方 共有結合・イオン結合・水素結合との違いは？
- 金属の配位結合と錯イオン（錯体） 中心金属、配位子、配位数とは？
- 食塩水の電気分解における電極での反応式（イオン式） 陽極で塩素が発生し、陰極で水素が発生する理由
- 二酸化マンガンと塩酸の反応式は？【半反応式から解説】