Измеритель pH — это научный прибор , который измеряет активность ионов водорода в водных растворах , указывая на их кислотность или щелочность, выраженную как pH . [2] Измеритель pH измеряет разницу в электрическом потенциале между электродом pH и электродом сравнения, поэтому его иногда называют «потенциометрическим измерителем pH». Разница в электрическом потенциале связана с кислотностью или pH раствора. [3] Измерение pH с помощью измерителей pH ( pH-метрия ) используется во многих приложениях, начиная от лабораторных экспериментов и заканчивая контролем качества . [4]
Скорость и результат химических реакций, происходящих в воде, часто зависят от кислотности воды, и поэтому полезно знать кислотность воды, обычно измеряемую с помощью pH-метра. [5] Знание pH полезно или критически важно во многих ситуациях, включая химические лабораторные анализы. pH-метры используются для измерения почвы в сельском хозяйстве , качества воды для муниципального водоснабжения, бассейнов , восстановления окружающей среды ; пивоварения вина или пива; производства , здравоохранения и клинических применений, таких как химия крови ; и многих других применений. [4]
Достижения в области приборостроения и обнаружения расширили число приложений, в которых могут проводиться измерения pH. Устройства были миниатюризированы , что позволяет проводить прямые измерения pH внутри живых клеток . [6] В дополнение к измерению pH жидкостей, специально разработанные электроды доступны для измерения pH полутвердых веществ, таких как продукты питания. Они имеют наконечники, подходящие для прокалывания полутвердых веществ, имеют электродные материалы, совместимые с ингредиентами в пище, и устойчивы к засорению. [7]
Потенциометрические pH-метры измеряют напряжение между двумя электродами и отображают результат, преобразованный в соответствующее значение pH. Они состоят из простого электронного усилителя и пары электродов или, в качестве альтернативы, комбинированного электрода и некоторой формы дисплея, откалиброванного в единицах pH. Обычно он имеет стеклянный электрод и электрод сравнения или комбинированный электрод. Электроды или зонды вставляются в тестируемый раствор. [8] pH-метры также могут быть основаны на сурьмяном электроде (обычно используемом для грубых условий) или хингидронном электроде .
Для точного измерения разности потенциалов между двумя сторонами стеклянной мембраны электрода сравнения , как правило, требуются электрод хлорида серебра или каломельный электрод с каждой стороны мембраны. Их цель — измерять изменения потенциала на соответствующей стороне. Один встроен в стеклянный электрод. Другой, который контактирует с исследуемым раствором через пористую пробку, может быть отдельным электродом сравнения или может быть встроен в комбинированный электрод. Результирующее напряжение будет разностью потенциалов между двумя сторонами стеклянной мембраны, возможно, компенсированной некоторой разницей между двумя электродами сравнения, которую можно компенсировать. Статья о стеклянном электроде имеет хорошее описание и рисунок.
Конструкция электродов является ключевой частью: это стержнеобразные структуры, обычно сделанные из стекла, с колбой, содержащей датчик в нижней части. Стеклянный электрод для измерения pH имеет стеклянную колбу, специально разработанную для селективности к концентрации ионов водорода. При погружении в тестируемый раствор ионы водорода в тестовом растворе обмениваются на другие положительно заряженные ионы на стеклянной колбе, создавая электрохимический потенциал на колбе. Электронный усилитель обнаруживает разницу в электрическом потенциале между двумя электродами, генерируемую при измерении, и преобразует разность потенциалов в единицы pH. Величина электрохимического потенциала на стеклянной колбе линейно связана с pH в соответствии с уравнением Нернста .
Электрод сравнения нечувствителен к pH раствора, поскольку состоит из металлического проводника, который подключается к дисплею. Этот проводник погружен в раствор электролита, обычно хлорида калия, который контактирует с исследуемым раствором через пористую керамическую мембрану. [9] Дисплей состоит из вольтметра , который отображает напряжение в единицах pH. [9]
При погружении стеклянного электрода и контрольного электрода в тестовый раствор замыкается электрическая цепь , в которой создается и обнаруживается вольтметром разность потенциалов. Цепь можно рассматривать как идущую от проводящего элемента контрольного электрода к окружающему раствору хлорида калия, через керамическую мембрану к тестовому раствору, селективному к ионам водорода стеклянному электроду, к раствору внутри стеклянного электрода, к серебру стеклянного электрода и, наконец, к вольтметру устройства отображения. [9] Напряжение меняется от тестового раствора к тестовому раствору в зависимости от разности потенциалов, создаваемой разницей концентраций ионов водорода с каждой стороны стеклянной мембраны между тестовым раствором и раствором внутри стеклянного электрода. Все остальные разности потенциалов в цепи не изменяются с pH и корректируются с помощью калибровки. [9]
Для простоты многие pH-метры используют комбинированный зонд, сконструированный со стеклянным электродом и опорным электродом, содержащимися в одном зонде. Подробное описание комбинированных электродов приведено в статье о стеклянных электродах . [10]
Измеритель pH калибруется с помощью растворов с известным pH, как правило, перед каждым использованием, чтобы обеспечить точность измерения. [11] Для измерения pH раствора электроды используются в качестве зондов, которые погружаются в тестовые растворы и удерживаются там достаточно долго, чтобы ионы водорода в тестовом растворе уравновесились с ионами на поверхности колбы стеклянного электрода. Это уравновешивание обеспечивает стабильное измерение pH. [12]
Подробности изготовления и полученной микроструктуры стеклянной мембраны pH-электрода сохраняются производителями как коммерческая тайна . [13] : 125 Однако некоторые аспекты конструкции публикуются. Стекло является твердым электролитом, в котором ионы щелочных металлов могут переносить ток. Стеклянная мембрана, чувствительная к pH, обычно имеет сферическую форму, чтобы упростить изготовление однородной мембраны. Толщина этих мембран достигает 0,4 миллиметра, что толще, чем у оригинальных конструкций, что обеспечивает долговечность зондов. Стекло имеет на своей поверхности силикатную химическую функциональность , которая обеспечивает места связывания для ионов щелочных металлов и ионов водорода из растворов. Это обеспечивает ионообменную емкость в диапазоне от 10−6 до 10−8 моль /см2 . Селективность для ионов водорода (H + ) возникает из-за баланса ионного заряда, требований к объему по сравнению с другими ионами и координационного числа других ионов. Производители электродов разработали составы, которые соответствующим образом уравновешивают эти факторы, в частности, литиевое стекло. [13] : 113–139
Электрод из хлорида серебра чаще всего используется в качестве электрода сравнения в pH-метрах, хотя в некоторых конструкциях используется насыщенный каломельный электрод . Электрод из хлорида серебра прост в изготовлении и обеспечивает высокую воспроизводимость . Электрод сравнения обычно состоит из платиновой проволоки, которая имеет контакт со смесью серебра и хлорида серебра, которая погружена в раствор хлорида калия. Имеется керамическая пробка, которая служит контактом с исследуемым раствором, обеспечивая низкое сопротивление и предотвращая смешивание двух растворов. [13] : 76–91
С помощью этих конструкций электродов вольтметр обнаруживает разность потенциалов ±1400 милливольт. [14] Электроды дополнительно разработаны для быстрого уравновешивания с тестовыми растворами, что облегчает использование . Время уравновешивания обычно составляет менее одной секунды, хотя время уравновешивания увеличивается по мере старения электродов. [13] : 164
Из-за чувствительности электродов к загрязняющим веществам чистота зондов имеет важное значение для точности и прецизионности . Зонды обычно поддерживаются влажными, когда они не используются, с помощью среды, подходящей для конкретного зонда, которая обычно представляет собой водный раствор, доступный у производителей зондов. [11] [15] Производители зондов предоставляют инструкции по очистке и обслуживанию своих конструкций зондов. [11] Для иллюстрации, один из производителей лабораторного pH дает инструкции по очистке от определенных загрязнений: общая очистка (15-минутное замачивание в растворе отбеливателя и моющего средства), соль ( раствор соляной кислоты , затем гидроксид натрия и вода), жир (моющее средство или метанол), засоренный опорный спай (раствор KCl), белковые отложения (пепсин и HCl, 1% раствор) и пузырьки воздуха. [15] [16]
Немецкий институт стандартизации публикует стандарт для измерения pH с помощью pH-метров, DIN 19263. [17]
Очень точные измерения требуют, чтобы pH-метр калибровался перед каждым измерением. Чаще всего калибровка выполняется один раз в день работы. Калибровка необходима, поскольку стеклянный электрод не дает воспроизводимых электростатических потенциалов в течение более длительных периодов времени. [13] : 238–239
В соответствии с принципами надлежащей лабораторной практики калибровка выполняется с использованием не менее двух стандартных буферных растворов , охватывающих диапазон измеряемых значений pH. Для общих целей подходят буферы с pH 4,00 и pH 10,00. Измеритель pH имеет один элемент управления калибровкой для установки показаний измерителя, равных значению первого стандартного буфера, и второй элемент управления для корректировки показаний измерителя в соответствии со значением второго буфера. Третий элемент управления позволяет устанавливать температуру. Пакетики со стандартными буферами, доступные у различных поставщиков, обычно документируют температурную зависимость контроля буфера. Более точные измерения иногда требуют калибровки при трех различных значениях pH. Некоторые измерители pH имеют встроенную коррекцию температурного коэффициента с температурными термопарами в электродных зондах. Процесс калибровки сопоставляет напряжение, создаваемое зондом (приблизительно 0,06 вольт на единицу pH), со шкалой pH. Надлежащая лабораторная практика предписывает, чтобы после каждого измерения зонды промывались дистиллированной или деионизированной водой для удаления любых следов измеряемого раствора, промокались специальной салфеткой для впитывания оставшейся воды, которая может разбавить образец и, таким образом, изменить показания, а затем погружались в раствор для хранения, подходящий для конкретного типа зонда. [18]
В целом, существует три основные категории pH-метров. Настольные pH-метры часто используются в лабораториях и используются для измерения образцов, которые приносятся в pH-метр для анализа. Портативные или полевые pH-метры представляют собой ручные pH-метры, которые используются для измерения pH образца в полевых условиях или на производственной площадке. [19] Поточные или in situ pH-метры, также называемые pH-анализаторами, используются для непрерывного измерения pH в процессе и могут работать автономно или быть подключены к информационной системе более высокого уровня для управления процессом. [20]
pH-метры варьируются от простых и недорогих устройств, похожих на ручку, до сложных и дорогих лабораторных приборов с компьютерными интерфейсами и несколькими входами для индикаторных и температурных измерений, которые необходимо ввести для корректировки изменения pH, вызванного температурой. Выход может быть цифровым или аналоговым, а устройства могут работать от батареи или от сети . Некоторые версии используют телеметрию для подключения электродов к устройству отображения вольтметра. [13] : 197–215
Специальные измерители и зонды доступны для использования в особых условиях, таких как суровые условия [21] и биологические микросреды. [6] Существуют также голографические датчики pH, которые позволяют измерять pH колориметрически , используя различные доступные индикаторы pH . [22] Кроме того, существуют коммерчески доступные измерители pH на основе твердотельных электродов , а не обычных стеклянных электродов. [23]
Понятие pH было определено в 1909 году С.П.Л. Сёренсеном , а электроды стали использоваться для измерения pH в 1920-х годах. [24]
В октябре 1934 года Арнольд Орвилл Бекман зарегистрировал первый патент на полный химический прибор для измерения pH, патент США № 2,058,761, на его «ацидиметр», позже переименованный в pH-метр. Бекман разработал прототип в качестве доцента химии в Калифорнийском технологическом институте , когда его попросили разработать быстрый и точный метод измерения кислотности лимонного сока для Калифорнийской биржи производителей фруктов ( Sunkist ). [25] : 131–135
8 апреля 1935 года переименованная в National Technical Laboratories компания Beckman сосредоточилась на производстве научных приборов, а компания Arthur H. Thomas Company стала дистрибьютором ее pH-метра. [25] : 131–135 В свой первый полный год продаж, 1936 год, компания продала 444 pH-метра на сумму 60 000 долларов США. [26] В последующие годы компания продала миллионы единиц. [27] [28] В 2004 году pH-метр Beckman был признан Национальным историческим химическим памятником ACS в знак признания его значимости как первого коммерчески успешного электронного pH-метра. [26]
Датская корпорация Radiometer Corporation была основана в 1935 году и начала продавать pH-метры для медицинского использования примерно в 1936 году, но «разработка автоматических pH-метров для промышленных целей была проигнорирована. Вместо этого американские производители приборов успешно разработали промышленные pH-метры с широким спектром применения, например, на пивоваренных заводах, бумажных фабриках, квасцовых заводах и в системах очистки воды». [24]
В 1940-х годах электроды для pH-метров часто было трудно изготавливать или они были ненадежны из-за хрупкого стекла. Доктор Вернер Ингольд начал промышленное производство одностержневых измерительных ячеек, сочетающих измерительный и опорный электроды в одной конструкции, [29], что привело к более широкому принятию в широком спектре отраслей, включая фармацевтическое производство. [30]
Beckman выпустила на рынок портативный «карманный pH-метр» еще в 1956 году, но у него не было цифрового считывания. [31] В 1970-х годах Jenco Electronics of Taiwan разработала и изготовила первый портативный цифровой pH-метр. Этот измеритель продавался под маркой Cole-Parmer Corporation . [32]
Для электродов требуется специализированное производство, а детали их конструкции и дизайна обычно являются коммерческой тайной. [13] : 125 Однако при покупке подходящих электродов можно использовать стандартный мультиметр для завершения конструкции pH-метра. [33] Однако коммерческие поставщики предлагают дисплеи вольтметров, которые упрощают использование, включая калибровку и температурную компенсацию. [7]
«Beckman Historical Collection Finding Aid», чтобы перейти к полному документу.
{{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )