pH -метр — это научный прибор , который измеряет активность ионов водорода в водных растворах , указывая их кислотность или щелочность, выраженную как pH . [2] pH-метр измеряет разницу электрических потенциалов между pH-электродом и эталонным электродом, поэтому pH-метр иногда называют «потенциометрическим pH-метром». Разница в электрическом потенциале связана с кислотностью или pH раствора. [3] Тестирование pH с помощью pH-метров ( 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, 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 измерений почвы в сельском хозяйстве , качества воды для муниципального водоснабжения , плавательных бассейнов , восстановления окружающей среды ; пивоварение вина или пива; производство , здравоохранение и клинические применения, такие как биохимический анализ крови ; и многие другие приложения. [4]
Достижения в области приборостроения и обнаружения расширили число применений, в которых можно проводить измерения pH. Устройства были миниатюризированы , что позволяет напрямую измерять pH внутри живых клеток . [6] Помимо измерения pH жидкостей, существуют специально разработанные электроды для измерения pH полутвердых веществ, таких как пищевые продукты. Они имеют наконечники, подходящие для прокалывания полутвердых веществ, материалы электродов, совместимые с пищевыми ингредиентами, 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, альтернативно, комбинированного электрода, а также дисплея, откалиброванного в единицах pH. Обычно он состоит из стеклянного электрода и электрода сравнения или комбинированного электрода. Электроды или зонды вставляются в тестируемый раствор. [8] pH-метры также могут быть основаны на сурьмяном электроде (обычно используемом для суровых условий) или хингидроновом электроде .
Чтобы точно измерить разность потенциалов между двумя сторонами эталонного электрода со стеклянной мембраной , обычно на каждой стороне мембраны требуется хлорсеребряный электрод или каломельный электрод . Их цель — измерить изменения потенциала на соответствующей стороне. Один встроен в стеклянный электрод. Другой, который контактирует с тестируемым раствором через пористую пробку, может быть отдельным электродом сравнения или может быть встроен в комбинированный электрод. Результирующее напряжение будет представлять собой разность потенциалов между двумя сторонами стеклянной мембраны, возможно, компенсируемую некоторой разницей между двумя электродами сравнения, которую можно компенсировать. В статье о стеклянном электроде есть хорошее описание и рисунок.
Ключевой частью является конструкция электродов: это стержнеобразные конструкции, обычно сделанные из стекла, с колбой, содержащей датчик внизу. Стеклянный электрод для измерения pH имеет стеклянную колбу, специально разработанную для избирательной концентрации ионов водорода. При погружении в тестируемый раствор ионы водорода в тестируемом растворе обмениваются на другие положительно заряженные ионы на стеклянной колбе, создавая электрохимический потенциал на колбе. Электронный усилитель обнаруживает разницу электрических потенциалов между двумя электродами, возникающую при измерении, и преобразует разницу потенциалов в единицы pH. Величина электрохимического потенциала на стеклянной колбе линейно связана с pH согласно уравнению Нернста .
Электрод сравнения нечувствителен к pH раствора и состоит из металлического проводника, подключаемого к дисплею. Этот проводник погружен в раствор электролита, обычно хлорида калия, который вступает в контакт с исследуемым раствором через пористую керамическую мембрану. [9] Дисплей состоит из вольтметра , который отображает напряжение в единицах pH. [9]
При погружении стеклянного электрода и электрода сравнения в исследуемый раствор замыкается электрическая цепь , в которой создается и регистрируется вольтметром разность потенциалов. Цепь можно представить себе как идущую от проводящего элемента электрода сравнения к окружающему раствору хлорида калия, через керамическую мембрану к исследуемому раствору, водородно-селективному стеклу стеклянного электрода к раствору внутри стеклянный электрод, серебро стеклянного электрода и, наконец, вольтметр устройства отображения. [9] Напряжение варьируется от тест-раствора к тест-раствору в зависимости от разности потенциалов, создаваемой разницей концентраций ионов водорода на каждой стороне стеклянной мембраны между тест-раствором и раствором внутри стеклянного электрода. Все остальные разности потенциалов в цепи не зависят от pH и корректируются посредством калибровки. [9]
Для простоты во многих pH-метрах используется комбинированный зонд, в котором стеклянный электрод и электрод сравнения содержатся в одном зонде. Подробное описание комбинированных электродов дано в статье о стеклянных электродах . [10]
pH-метр калибруется с использованием растворов с известным pH, обычно перед каждым использованием, чтобы обеспечить точность измерений. [11] Для измерения pH раствора в качестве зондов используются электроды, которые погружают в тестируемые растворы и удерживают там достаточно долго, чтобы ионы водорода в тестируемом растворе пришли в равновесие с ионами на поверхности колбы на стеклянный электрод. Такое уравновешивание обеспечивает стабильное измерение pH. [12]
Подробности изготовления и полученная микроструктура стеклянной мембраны pH-электрода производители сохраняют в качестве коммерческой тайны . [13] : 125 Однако некоторые аспекты дизайна публикуются. Стекло представляет собой твердый электролит, в котором ионы щелочных металлов могут проводить ток. pH-чувствительная стеклянная мембрана обычно имеет сферическую форму, чтобы упростить изготовление однородной мембраны. Эти мембраны имеют толщину до 0,4 миллиметра, что толще, чем у оригинальных конструкций, что делает зонды долговечными. Стекло имеет силикатную химическую функциональность на своей поверхности, которая обеспечивает места связывания ионов щелочных металлов и ионов водорода из растворов. Это обеспечивает ионообменную емкость в пределах от 10 -6 до 10 -8 моль/см 2 . Селективность по отношению к ионам 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 первую очередь литиевое стекло. [13] : 113–139.
Хлоридсеребряный электрод чаще всего используется в качестве электрода сравнения в рН-метрах, хотя в некоторых конструкциях используется насыщенный каломельный электрод . Хлоридсеребряный электрод прост в изготовлении и обеспечивает высокую воспроизводимость . Электрод сравнения обычно состоит из платиновой проволоки, контактирующей со смесью серебра и хлорида серебра, погруженной в раствор хлорида калия. Имеется керамическая пробка, которая служит контактом с тестируемым раствором, обеспечивая низкое сопротивление и предотвращая смешивание двух растворов. [13] : 76–91.
Благодаря такой конструкции электродов вольтметр обнаруживает разность потенциалов ±1400 милливольт. [14] Кроме того, электроды сконструированы так, чтобы быстро приводить их в равновесие с тестируемыми растворами, что упрощает их использование . Время установления равновесия обычно составляет менее одной секунды, хотя время установления равновесия увеличивается по мере старения электродов. [13] : 164
Из-за чувствительности электродов к загрязнениям чистота датчиков имеет важное значение для точности и точности измерений . Зонды обычно поддерживают влажными, когда они не используются, со средой, подходящей для конкретного зонда, которая обычно представляет собой водный раствор, доступный у производителей зондов. [11] [15] Производители датчиков предоставляют инструкции по очистке и обслуживанию своих датчиков. [11] Например, один производитель лабораторного pH-метра дает инструкции по очистке от конкретных загрязнений: общая очистка (15-минутное замачивание в растворе отбеливателя и моющего средства), соль ( раствор соляной кислоты с последующим добавлением гидроксида натрия и воды), жир. (моющее средство или метанол), засорение эталонного спая (раствор KCl), белковые отложения (пепсин и HCl, 1% раствор) и пузырьки воздуха. [15] [16]
Немецкий институт стандартизации публикует стандарт измерения pH с помощью pH-метров DIN 19263. [17]
Очень точные измерения требуют калибровки pH-метра перед каждым измерением. Чаще калибровка выполняется один раз в день работы. Калибровка необходима, поскольку стеклянный электрод не дает воспроизводимых электростатических потенциалов в течение длительных периодов времени. [13] : 238–239.
В соответствии с принципами надлежащей лабораторной практики калибровка выполняется как минимум с двумя стандартными буферными растворами , охватывающими диапазон измеряемых значений pH. Для общих целей подходят буферы с pH 4,00 и pH 10,00. pH-метр имеет один элемент управления калибровкой для установки показаний счетчика, равных значению первого стандартного буфера, и второй элемент управления для настройки показаний счетчика на значение второго буфера. Третий элемент управления позволяет устанавливать температуру. Стандартные пакетики с буфером, доступные от различных поставщиков, обычно документируют температурную зависимость контроля буфера. Для более точных измерений иногда требуется калибровка при трех разных значениях pH. Некоторые pH-метры имеют встроенную коррекцию температурного коэффициента с помощью термопар в электродных зондах. В процессе калибровки напряжение, создаваемое зондом (приблизительно 0,06 В на единицу pH), коррелирует со шкалой pH. Хорошая лабораторная практика требует, чтобы после каждого измерения зонды промывали дистиллированной или деионизированной водой для удаления любых следов измеряемого раствора, а затем промокали салфеткой для абсорбции остатков воды, которая могла бы разбавить образец и, таким образом, изменить результат измерения. считывание, а затем погружение 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 для измерения проб, которые помещаются в pH-метр для анализа. Портативные или полевые pH-метры — это портативные pH-метры, которые используются для измерения pH пробы в полевых условиях или на производственной площадке. [19] Линейные или полевые pH-метры, также называемые pH-анализаторами, используются для непрерывного измерения pH в процессе и могут быть автономными или быть подключены к информационной системе более высокого уровня для управления процессом. [20]
Измерители pH варьируются от простых и недорогих устройств в форме ручки до сложных и дорогих лабораторных приборов с компьютерными интерфейсами и несколькими входами для измерения индикаторов и температуры, которые необходимо вводить для корректировки изменений pH, вызванных 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 индикации вольтметра. [13] : 197–215.
Специальные измерители и зонды доступны для использования в особых приложениях, таких как суровые условия [21] и биологическая микросреда. [6] Существуют также голографические датчики pH, которые позволяют измерять pH колориметрически , используя различные доступные индикаторы pH . [22] Кроме того, существуют коммерчески доступные pH-метры на основе твердотельных электродов , а не обычных стеклянных электродов. [23]
Концепция pH была определена в 1909 году SPL Sørensen , а электроды использовались 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 № 2058761, на свой «ацидиметр», позже переименованный в pH-метр. Бекман разработал прототип, будучи доцентом кафедры химии Калифорнийского технологического института , 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 Национальные технические лаборатории Бекмана сосредоточилась на производстве научных инструментов, а компания Arthur H. Thomas Company выступила дистрибьютором своего pH-метра. [25] : 131–135 За первый полный год продаж, в 1936 году, 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 памятником химии ACS в знак признания его значения 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 « разработкой автоматических pH-метров для промышленных целей пренебрегали. Вместо этого американские производители приборов успешно разработали промышленные pH-метры с широким спектром применения. различных применений, например, на пивоваренных заводах, бумажных заводах, алюминиевых заводах и в системах очистки воды». [24]
В 1940-х годах электроды для pH-метров часто было сложно изготовить или они были ненадежны из-за хрупкости стекла. Доктор Вернер Ингольд начал индустриализацию производства одностержневых измерительных ячеек, комбинации измерительного и эталонного электрода в одной конструкции [29] , что привело к более широкому распространению в широком спектре отраслей, включая фармацевтическое производство. [30]
Бекман продавал портативный «Карманный pH-метр» еще в 1956 году, но у него не было цифрового считывания. [31] В 1970-х годах компания Jenco Electronics из Тайваня разработала и произвела первый портативный цифровой pH-метр. Этот счетчик продавался под маркой Cole-Parmer Corporation . [32]
Электроды требуют специализированного производства, а детали их конструкции и конструкции обычно являются коммерческой тайной. [13] : 125 Однако при покупке подходящих электродов для завершения сборки pH-метра можно использовать стандартный мультиметр . [33] Однако коммерческие поставщики предлагают дисплеи вольтметра, которые упрощают использование, включая калибровку и температурную компенсацию. [7]
Нажмите «Помощь в поиске исторической коллекции Бекмана», чтобы перейти к полной версии документа.
{{cite book}}: |website=игнорируется ( помощь )