ネルンスト式は、酸化還元反応の電気化学的電位が温度と関与物質の濃度にどのように依存するかを説明する式です。これは電気化学における最も重要なツールの一つであり、とりわけpH電極がなぜ機能するのか、そして水の酸化還元電位（ORP）がどのように生じるかを説明します——たとえば水の電気分解や水イオナイザーにおいて。本記事では、公式、導出、および計算例を交えた応用について解説いたします。
ネルンスト式 計算ツール
| 電位 E (V) | |
|---|---|
| 傾き (mV/decade) |
E = E° − (R·T / n·F)·ln Q、R = 8.314 J/mol·K、F = 96,485 C/mol。25 °C で傾き 2.303·R·T/F ≈ 59.16 mV/decade。
ネルンスト式とは何か
化学者ワルター・ネルンスト（1920年ノーベル賞）の名を冠したこの式は、（標準条件下で測定された）反応の標準電位と実際の条件下での実際の電位を結びつけます。濃度や温度が変化したとき、電気化学セルの電圧がどのように変化するか——これに答える式です。
公式
- E = 実際の電極電位
- E° = 標準電位
- R = 普遍気体定数（8.314 J/mol·K）
- T = ケルビン単位の温度
- n = 移動した電子の数
- F = ファラデー定数（96,485 C/mol）
- Q = 反応商（濃度の比）
室温（25 °Cまたは298 K）で自然対数から常用対数に切り替えると、式は実用的な形に簡略化されます。
係数0.0592 V（しばしば59 mVに丸められます）は、濃度が10倍変化するごとに電位が約59 mV（nで割った値）シフトする理由です。
導出の概要
ネルンスト式は熱力学から導かれます。出発点は反応のギブズ自由エネルギーです。
- ΔG = ΔG° + R·T·ln Q
- 電圧との関係：ΔG = −n·F·E かつ ΔG° = −n·F·E°
- 代入して整理すると：E = E° − (R·T)/(n·F) · ln Q
この式はエネルギー（ΔG）を測定可能な電圧（E）に直接結びつけます。
計算例
典型的な例はpH測定です。水素電極やガラス電極はH⁺濃度に応答します。1 pH単位（すなわちH⁺の10倍の変化）ごとに電位は約59 mV変化します（25 °Cでn = 1の場合）。まさにこの特性がpH電極を可能にしています——これはネルンスト式の応用そのものです。
水の理論分解電圧（1.23 V）も半反応の標準電位から導かれます——水の電気分解との直接的な関連があります。
酸化還元電位（ORP）と水イオナイザー
電解水で頻繁に宣伝される「マイナス酸化還元電位（ORP）」は、本質的にネルンスト的な量です。溶存物質、溶存水素、そとりわけpH値に依存します。ORP値は測定条件に強く影響されるため、単独の品質指標として用いる場合は慎重に扱うべきです。
ORPに関するマーケティング上の主張を文脈に置くために、カンゲン水の記事で実際の応用を示しています。また、ppm値の記事では、実際にどれだけの水素（H₂）が溶解しているかという別の問いを扱っています。マーケティングでは両者がしばしば混同されますが、物理的には異なる量です。
よくある質問（FAQ）
ネルンスト式は何に使われますか？
実際の濃度・温度条件下での酸化還元反応の実際の電位を計算します——電池、pH測定、ORP、腐食化学の基礎となる式です。
ネルンスト式とは何ですか？
E = E° − (R·T)/(n·F) · ln Q。25 °CではE = E° − (0.0592/n) · log Qに簡略化されます。
0.0592 Vという値は何を意味しますか？
25 °Cにおける(R·T/F)·ln 10です。濃度が10倍変化するごとに電位が約59 mV（nで割った値）シフトすることを表します。
ネルンスト式と水はどのような関係がありますか？
水の酸化還元電位（ORP）、pH電極の機能、および電気分解における理論分解電圧を説明します。
