pHセンサー(pHメーター)の仕組みは?pHセンサー(pHメーター)と電気化学、ネルンストの式

pHセンサーの仕組みは?pHセンサーと電気化学、ネルンストの式

 

pH(ペーハー)とは、ある溶液の水素イオン濃度を表す指標のことで、値が0に近づくほど酸性となり、値が7に近づくほど中性となり、値が14に近づくほどアルカリ性となります(詳細はこちらで解説しています)。

 

このpHを測定する際、電気化学と関係が深く、具体的にはネルンストの式を用いてpHの測定が行われることが一般的です。

 

こちらのページでは、

 

・pHセンサーの仕組み

 

というテーマで解説しています。

 

 

pHセンサーの仕組み

pHセンサーでは、pHの算出と同様に[H+]に着目しています。

 

この[H+]を直接測定することで、pHを算出しています。

 

一般的なpHセンサーとしましては、ガラス電極と呼ばれるH+のみを透過させるイオン交換膜のようなものを使用し、その内側には内部液と呼ばれるpHがある値で一定のものが充填され、さらに内部には内部参照電極が配置されています。

 

ここで、[H+]の濃度が高い、つまり測定したい溶液(今回は酸性の溶液としましょう)にこのガラス電極と参照電極(銀塩化銀電極など)を浸し、pH測定を行うとします。

 

この際、ガラス電極の内部液の方が[H+]が小さいため、試料溶液から測定したい溶液へ[H+]が移動しようとします。

 

ここで、H+しかガラス電極では通さないためそのカウンターアニオンは移動できず、試料溶液側ではアニオンが濃い状態つまり、電荷が負になった状態となります。

 

逆に、ガラス電極の内部液側では、H+の濃度が濃くなるため、電荷が正になった状態となります。

 

電荷のバランスが崩れるため、それを整える向き、つまりバランスを元に戻そうという向きに起電力が発生し、その起電力による駆動力とH+の移動の力が釣り合うところが電気化学平衡状態となります。

 

内部液は一定の[H+]に保たれるために、そしてネルンストの式により起電力と[H+]の濃度の関係がわかります。

 

一電子反応であることに注意すると、具体的にはE = RT/1・F ln(C試料溶液/C内部液)より算出されます。

 

C内部液は一定であるため、C試料溶液、つまり試料溶液の[H+]がわかるという仕組みです。

 

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