pH計とは？原理や種類・pHを正しく計測するための注意点も解説
水質が酸性かアルカリ性かを調べたいときは、pH計を使用するのがおすすめです。リトマス試験紙よりも精度が高く、コンパクトなものもあるため、簡単に水質を確認することが可能です。
当記事では、pH計の原理や種類・活用用途を詳しく解説します。また、pHを正しく計測したいときは気泡を取り除いたり、定期的に校正を行ったりなどのメンテナンスも必要です。pH計を使用する際に気を付けたいポイントも紹介するので、ぜひ参考にしてください。
目次
1.pHとは？
pH（ペーハー、ピーエッチ）とは、液体が酸性かアルカリ性かを測定するための単位です。
酸性やアルカリ性は、強すぎると人体に悪影響を及ぼします。例えば、塩酸や硫酸といった強酸性の水溶液や、水酸化ナトリウムなどの強アルカリ性の水溶液は、触れただけで火傷のような症状が出るため注意が必要です。水道水や飲料水などは、安心して飲める水質を保つようpH値の規格が定められています。
酸性・アルカリ性のpHの基準や、pHを計測する必要があるシーンについて詳しく解説します。
1-1.酸性・アルカリ性のpHの基準は？
水には酸性・中性・アルカリ性の3種類あり、pHの数値によってどの性質に当てはまるか判断することが可能です。pHは1～14の数値で表され、pH7が中性、7より小さい場合は酸性、7より大きい場合はアルカリ性であると分かります。数値が中性から離れるほど、酸性もしくはアルカリ性の性質が強いということを示します。
身近な飲料水・液体のpH値はおおむね以下の通りです。
| pH値 | |
|---|---|
| 純水 | 7 |
| 水道水、ミネラルウォーター | 5.8～8.6 |
| 牛乳 | 6.8～7.3 |
| レモン | 2～3 |
| スポーツドリンク | 3～4 |
| 重曹 | 8～9 |
| 石けん | 9～11 |
一般的に、酸性の水溶液は酸っぱいことが多く、殺菌作用が強いのが特徴です。一方、アルカリ性の水溶液は苦みがあり、人体に浸透しやすいため料理や飲料などに適しています。
1-2.pHを計測する必要があるシーン
液体が酸性かアルカリ性かを測定できる「pH計」は、水質管理に必要不可欠です。リトマス試験紙と比べて精度が高く、誰でも手軽に使えることから、さまざまな業種・業界で採用されています。
例えば浄水場では、河川などから取り入れた水を塩素殺菌し、安全な飲み水として提供できるようpH値を管理しています。下水処理場では処理後の放流時などに、水質汚濁につながらないよう厳しく管理されています。
農業の分野においても、農作物や土壌、農業用水、家畜の血液や飼料、養殖漁場の水質などを管理するためにpH計の活用は欠かせません。ほかにも、医療現場や食品開発、印刷業界など、幅広い分野や用途でpH計が活用されています。
2.pH計の原理
pH計によるpH測定は「ガラス電極法」によって行われます。ガラス電極法とは、pHガラス電極と比較電極との間に生じた電圧（電位差）を知ることで、対象のpH値を測定する方法です。
pH計は、pHガラス電極と比較電極の2本を組み合わせた構造になっています。pHガラス電極の本体はガラス製で、先端の特殊なガラスの薄膜はリチウム系ガラスです。ガラス膜の内側・外側に異なるpHの水溶液があると、ガラス膜の部分にpHの差に比例した起電力が生じます。通常、溶液が25℃の場合、2つの溶液のpHが1違えば、約59mVの起電力が発生します。pHガラス電極の内部液はpH7となっており、ガラス膜に生じた起電力を測定し、対象のpHを測定することが可能です。
なお、pHガラス電極に生じた起電力を測定するには、電極がもう1本必要になります。比較電極は電位を安定させるために、液絡部にピンホールを開けたり、セラミックを施したりなどの工夫がされており、内部液には塩化カリウム溶液が使用されているケースが多いです。
3.pH計の種類
pH計は、大きく分けて「コンパクトタイプ」「ハンディタイプ」「定着タイプ」の3種類あります。それぞれ長所や特徴が異なるため、用途や使用するシーンに合わせて使い分けるとよいでしょう。
・コンパクトタイプ
コンパクトタイプのpH計は、脇に挟むタイプの体温計ほどのコンパクトなサイズ感が特徴です。ポータブルで持ち運びに便利であり、片手でpH値を測定できるため、さまざまな分野で広く活用されています。ただし、コンパクトタイプのpH計は防水加工されていない製品が多いため、測定部以外に水がかからないように使用することが重要です。屋外での使用も可能ですが、基本的には屋内での使用に適したタイプと言えるでしょう。
・ハンディタイプ
ハンディタイプは、長方形の機体から伸びたコードの先端に検出部がついているpH計です。コードが長いモデルを選べば測定対象に直接つけやすいので、河川や海、水たまりなどの水質調査にも向いています。土壌調査に使用する場合はコードでは測定しにくいため、小型の機体に棒が接続されているモデルがおすすめです。総じて野外での調査に適したタイプと言えます。
・定着タイプ
定着タイプは設置型のpH計です。コンパクトタイプやハンディタイプに比べて大きいものが多く、タッチパネルで操作するモデルもあります。持ち運びには適さないものの、高機能でより正確に測定できるpH計を探している方におすすめです。主に研究室や医療機関などで活用されるケースが多くなっています。
4.pHを正しく計測するには？
pH計の使い方は、基本的には簡単です。しかし、いくつかのポイントを守らなければ正しい測定結果を得られない可能性があります。正しく計測するためのpH計の使い方について解説するので、使用する前に一度チェックしてみましょう。
4-1.液温を一定に保つ
溶液の電位差は温度によって変化するため、溶液の温度を一定に保つことが大切です。pH測定の際には溶液の温度をあらかじめ決め、検査溶液だけではなく、標準液や測定試料などの温度も一定に保って検査することが推奨されます。pH測定をするのに最適な温度は25度前後です。特に物質を溶解させた直後の水溶液は、吸熱や発熱によって温度が変化することが多いため、温度が安定するまでしばらく待ってから測定しましょう。
溶液の温度を一定に保つ手段として、恒温槽や温度補償機能を用いたメーターの活用が挙げられます。また、温室で作業を行い、空間全体の温度を一定に保つのも手段の1つです。
4-2.気泡は取り除く
pH計の電極応答部に気泡があると、測定値に誤差が出る場合や、正しく測定できない場合があります。電極表面に気泡が付着したり気泡が電極内に入ったりした場合は、電極を軽く振って気泡を取り除くなどの対応をしましょう。なお、電極を振る際には破損などに注意してください。
炭酸水など溶液に気泡が継続的に発生する場合は、pHガラス電極のガラス膜表面の小さな傷をアルカリ溶液で除去すると、安定して測定しやすくなります。アルカリ溶液は以下のプロセスで使用するのがおすすめです。
| 1 | pHガラス電極のガラス膜表面をアルカリ溶液に10分程度浸け置きする。 |
|---|---|
| 2 | 純水でしっかりと洗浄する。 |
4-3.定期的に校正を行う
pH計を使うときは、定期的に測定誤差を直す「校正」を行う必要があります。pH計をはじめとする測定器は、環境や劣化などによって数値にズレが生じやすいためです。
pH計の校正は、週に3日以上測定する場合は1週間に1回以上、月に数回測定する場合は1か月に1回以上行うことが推奨されています。校正は、例えばpH5付近の溶液を測定する場合、pH7とpH4の標準液で測定するとよいでしょう。
pH計をレンタルすると、校正などのメンテナンスの手間がかからないというメリットがあります。
まとめ
pH計は水質を確認するために使用される計測器で、液体が酸性かアルカリ性かを測定できます。水質管理が必要な浄水場や下水処理場だけでなく、農業分野や医療分野などさまざまな場面で活躍します。
pH計にはコンパクトで持ち運べるものから設置型のものまでさまざまな種類があるので、用途に応じて選びましょう。また、レンタルのpH計は校正やメンテナンスの手間がかからないので、一時的な利用の場合は計器のレンタルもおすすめです。