標準水素電極（She）とは？電気化学における参照電極の手引き

標準水素電極（SHE）は、半電池電位の測定に最も一般的に使用される参照電極である。0.000Vの電位が任意に割り当てられ、電気化学における普遍的な基準点となっている。しかし、実用的なアプリケーションでは、安定性と使いやすさから、飽和カロメル電極（SCE）や銀/塩化銀電極（Ag/AgCl）のような他の参照電極を使用することが多い。これらの電極はSHEに対する電位が既知であり、試料や実験条件との適合性に基づいて選択されます。例えば、Ag/AgClが広く使用されていますが、試料が銀イオンや塩化物イオンと相容れない場合は、SCEや他の代替品を採用することもあります。

キーポイントの説明

一次基準となる標準水素電極（SHE）:
- SHEは電気化学における基本的な参照電極で、電位は任意に0.000 Vに設定される。
- 半電池電位測定のベースラインとして機能し、異なる電気化学系の比較を可能にする。
- しかし、SHEは複雑で正確な条件（例えば、1気圧の水素ガスと白金電極）が必要なため、日常的な測定には必ずしも実用的ではない。
一般的な実用基準電極:
- 飽和カロメル電極 (SCE):
  - 飽和塩化カリウム水溶液中の水銀と塩化第二水銀から成る。
  - SHEに対して+0.241Vの電位を持つ。
  - 広く使用されているが、水銀を含むため、食品、飲料、環境調査など特定の用途には適さない。
- 銀/塩化銀電極（Ag/AgCl）:
  - 塩化銀でコーティングされた銀線を塩化物溶液に浸したもの。
  - 塩化物濃度に応じて、SHEに対して+0.197V～+0.222Vの電位を持つ。
  - 安定性、再現性、使いやすさから、最も一般的に使用されている参照電極。
- その他の参照電極:
  - 硫酸銅電極（CSE）：腐食試験などの特定の用途に使用され、SHEに対して+0.314 Vの電位を持つ。
  - 水銀-硫酸水銀電極：非水性または酸性環境で使用され、電位はSHEに対して+0.64 V～+0.68 V。
参照電極の選択基準:
- サンプルとの互換性:
  - 参照電極は、試料と反応したり、試料を汚染してはなりません。
  - 例えば、Ag/AgClは銀イオンや塩化物イオンに敏感な試料には適さないため、SCEまたは他の代替品を使用する必要があります。
- 安定性と再現性:
  - 電極は、時間とともに安定した再現性のある電位を提供する必要があります。
  - これにより、電気化学実験における正確で一貫した測定が保証されます。
- 環境と安全への配慮:
  - SCEのような水銀ベースの電極は、環境や健康への懸念から、特定の用途では避けられる。
  - そのような場合には、Ag/AgClのような無毒の代替品が好まれます。
電気化学測定における参照電極の役割:
- 参照電極は、電気化学セル内の電気回路を完成させ、作用電極の電位を測定するための安定した電位を提供する。
- 参照電極は電流を流さないので、測定中も電位が一定に保たれます。
- 参照電極の液体ジャンクションは試料との接触を可能にし、大きな誤差を生じることなくイオン伝導度を維持します。
購入時の注意事項:
- コストと在庫状況:
  - Ag/AgCl電極は、SCEや他の特殊な電極に比べ、一般的に費用対効果が高く、広く入手可能です。
- メンテナンスの容易さ:
  - 参照電極の中には、電解液の補充や洗浄のような定期的なメンテナンスが必要なものがあり、電極を選択する際に考慮する必要があります。
- アプリケーション固有の要件:
  - 参照電極の選択は、pH範囲、温度、試料の組成など、アプリケーションの特定のニーズに合わせる必要があります。

要約すると、SHEは半電池電位測定の理論的な標準であるが、実際の応用では、その安定性、再現性、使いやすさから、Ag/AgClやSCEのような参照電極に頼ることが多い。参照電極の選択は、試料の適合性、環境への配慮、実験要件などの要因に依存します。

総括表

参照電極	電位（対SHE）	主な特徴	用途
標準水素電極（SHE）	0.000 V	ユニバーサル・リファレンス、複雑なセットアップ	理論測定
銀/塩化銀 (Ag/AgCl)	+0.197 V～+0.222 V	安定性、再現性、使いやすさ	研究室で広く使用
飽和カロメル電極 (SCE)	+0.241 V	水銀を含み、環境に優しくない	食品／環境研究では避けるべき
硫酸銅-銅(II) (CSE)	+0.314 V	腐食研究に使用	特定の工業用途
硫酸水銀-亜硫酸水銀	+0.64 V～+0.68 V	非水性/酸性環境で使用	特殊な電気化学的研究