PH計とは
pH計とは、液体のpHを測定する装置です。
pHは水質を表す指標の一つであり、液体の水素イオン濃度を表すものです。例えば水道水は中性、炭酸水や胃酸は酸性、石灰水やせっけん水などはアルカリ性に分類されます。
簡単な測定方法としてはリトマス試験紙を用いた比色法による測定方法があります。ただし、より正確なpHを知るためにはpH計が必要になります。pH計は主にガラス電極を用いているものが主流であり、これをガラス電極法と呼びます。
PH計の使用用途
主に燃焼を行うゴミ焼却場、ボイラー、火力発電などでのpH測定や、建設土木工事やコンクリート工場での工場排水放水時のpH測定などで用いられます。pH計を設置しておくことで常時測定し、異常なpHにならないか監視する用途でも用いられます。
食品分野ではpHによって味や安全性が変化するものも多々あります。食品それぞれに適したpHがあり、適したpHでないと風味が損なわれたり、異物が混入してしまったりと問題が発生してしまいます。
PH計の原理
図1. PH計の原理
一般的なガラス電極法でのpH系は、ガラス電極と比較電極の2種類を用いて測定します。この2つの電極の電位差を測定することでpHを測定することができます。
ガラス薄膜の内外にpH差が発生しているとその差に応じた電位差が発生します。理論上では、25℃の溶液においてpH差が1あれば起電力は約59mV発生します。ガラス電極の中の液は通常pHが7の液を用いるため、起電力を測定することで測定対象のpHが分かります。
上記の様に起電力を測定するには、対比となるもう1本の電極が必要となります。これを比較電極と呼びます。比較電極は液絡部を介して電極内部液と被験液が接触しており、被験液が変化しても電位がほとんど変化しません。ただし、液絡部では常に電極内部液が被験液の方に流れることが理想であり、このため測定時は比較電極の内部液補充口を開け、内部液の液面は被験液面よりも高くする必要があります。
pH測定を行うにあたり、必ず標準液を用いた校正を行う必要があります。標準液には緩衝液が用いられます。JISにより決められた5種類の標準液が存在します。シュウ酸塩、フタル酸塩、中性リン酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩の5種類です。pH差が1で約59mVと小さな電位差ですので、まずこれら標準液を用いて校正を行うことでpH差による起電力を測定する際に正確に測定することができます。
PH計のその他情報
1. PH計の電極
図2. PH計の電極
一般的にpH計は、電極と温度補償用の温度センサで構成されています。電極にはガラスが用いられ、このガラス電極と比較電極の２本の電極間に生じた電位差を測定することによりpHを確認します。
pH計の測定電極は白金/水素電極が用いられてきましたが、この電極は現在では一般的には使用されていません。一方で、高精度の測定結果を得るための参照電極として使用されています。
現在では多様化している被測定溶液に対応するために、ガラス電極が使用されています。ガラス電極は、pH感度を持つガラス膜内に内部緩衝液を封入し、内部導通用電極を通り、電位を測定します。また、外側の電極管は高い耐アルカリ性をもち、ガラス膜の持つ電気抵抗に比べ数倍の抵抗を持つことが要求されます。
pH計は、ガラス電極（測定電極）と参照電極が対となって、2本の電極を用いて測定するのが多かったのですが、測定電極と参照電極が1つに組み合わされた複合電極が考案され、多くの場で使用されています。
複合電極では、測定電極の外側に同心円状で参照電極が付いている構造となっています。
2. PH計での土壌測定
作物を育てる際に、土壌のpHを確認し、酸性側か、アルカリ性側かを確認する必要があります。
例えば、茶はpHが5で酸性、ジャガイモはpHが6で弱酸性、ほうれん草はpHが7で中性というように各作物で土壌中のpHの領域が異なります。ただし、土壌のpH測定は難しく、溶液のようにガラス電極を地面に刺すこができません。
土壌のpH測定としては、農林水産省がマニュアルを作成し、指示薬を使用した簡易測定法があります。
これは、採取した土壌を自然乾燥させ、水道水と混ぜます。5-10分ほど静置し、上澄液を採取して、指示薬を滴下します。検水の発色を読み取り、対応するpHを確認します。なお、これ以外に、ポータブルのpH測定器もあり、直接地面に刺して、対象となる土壌のpHを測ることも可能になっています。
参考文献
http://www.fkk-net.co.jp/pc/contents19.html
https://www.horiba.com/jp/application/material-property-characterization/water-analysis/water-quality-electrochemistry-instrumentation/the-story-of-ph-and-water-quality/the-story-of-ph/measurement-of-ph-in-many-fields/foods-medicines-cosmetics-and-medical-care/
https://www.horiba.com/jp/application/material-property-characterization/water-analysis/water-quality-electrochemistry-instrumentation/the-story-of-ph-and-water-quality/the-basis-of-ph/measuring-ph-using-a-glass-electrode/
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https://www.tactec.co.jp/download/hamilton_dl/hamilton_pH_info_1.pdf
https://www.toadkk.co.jp/support/useful/useful05.html
https://www.toadkk.co.jp/support/useful/useful03.html
https://www.suzuken-ltd.co.jp/choose/soil/