2024年4月6日土曜日

環境計量士とイオン電極法（２）｜測定原理（ネルンストの式）


イオン電極法は、環境計量士試験で何度も出題される重要なテーマ。
試験で押さえておくべきポイントに絞って分かりやすく解説していくから。
ついでに、問題演習にもチャレンジしなさい！

試験で押さえておくべきポイントは次の５つ。

🌿 ポイント
  • イオン電極法とは？－測定装置の構成－
  • イオン電極法の測定原理（ネルンストの式）◀これを解説！
  • イオンの活量
  • 応答こう配
  • イオン電極の種類

イオン電極法の測定原理

イオン電極の先端には、特定のイオンだけに反応する「感応膜」が付いているの。 この感応膜が試料溶液中の目的イオンに触れると、そのイオン活量に応じた膜電位が発生するわ。

でも、それだけじゃ測定はできないのよ。
そこで登場するのが比較電極。この子はいつでも一定の基準電位を保っているから、イオン電極との間に生じた電位差（起電力）を電位差計（イオン計）が測定できるってわけ。

このとき測定される電位のことを、応答電位って呼ぶの。

そして、この応答電位（E）と、試料溶液中の測定対象イオンの活量（a）との間には、ちゃんと決まった関係があるのよ。

その関係を表したのが、分析化学ではとっても大事なネルンストの式（Nernstの式）。これさえ理解できれば、イオン電極法の測定原理もグッと分かりやすくなるんだから。

$$ E = E_0 + \frac{2.303R･T}{z･F}\log a $$

ここで

E0：標準電位（V）
R：気体定数（8.314 J/mol･K）
T：絶対温度（K）
z：測定対象イオンの価数
F：ファラデー定数（96500 C/mol）
2.303：自然対数から常用対数への変換係数

今は難しく考えなくていいわ。とりあえず、この式の名前だけ覚えておきなさい。それだけで、次の問題はちゃんと解けるんだから。
⭐ 問題演習（第67回, 問題文を一部編集・再構成）
問１　イオン電極法の測定原理の基礎となっている法則または式として、正しいものを次の中から１つ選べ。

１．ネルンスト式
２．ランバード・ベアーの法則
３．ファンディムターの式
４．ファラデーの法則
５．フラッグの式

正解は１
簡単でしょ？これくらいは当然よね！
次の問題はどうかしら？
⭐ 問題演習（第59回, 問題文を一部編集・再構成）
問１「JIS K 0122 イオン電極測定方法通則」に関連する次の記述について、空欄に入る語句および記号の組合せとして正しいものを１つ選べ。

　イオン電極を用いた測定において、応答電位Eと測定対象イオン活量aとの間には（　ア　）式と呼ばれる関係式

$$E = E_0 + \frac{2.303R･(　イ　)}{(　ウ　)･F}\log a$$

が成立する。ここでE0は25℃での標準電極電位、Rは気体定数、Fはファラデー定数、logaはaの常用対数である

１．ネルンスト,　T,　γ
２．ネルンスト,　Z,　γ
３．アーレニウス,　γ,　T
４．ネルンスト,　T,　Z
５．アーレニウス,　Z,　T

（※各選択肢は左から順に「ア」「イ」「ウ」に対応しています。）
解説

まず、空欄（ア）に入るのは「ネルンスト」。これは基本中の基本よ。
これで選択肢は１・２・４まで絞られたわ。

次は空欄（イ）ね。ここにはT（絶対温度）かZ（測定対象イオンの価数）のどちらかが入るの。
迷ったら、気体の状態方程式を思い出しなさい。

$$PV = nRT$$

ほら、R（気体定数）の後にはT（絶対温度）が続いているでしょ？全部覚えていなくても、この並びだけ覚えていれば十分よ。

これで選択肢は１と４まで絞られたわ。

最後は空欄（ウ）よ。

ネルンスト式にはγ（ガンマ）なんて出てこないんだから、ここは消去法でZ（測定対象イオンの価数）が入るの。

【解答】４


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