Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сулы ерітінділердегі қышқылдық немесе сілтілік деңгейін pH арқылы көрсететін құрал.
Instrument that indicates acidity or alkalinity in water based solutions, expressed as pH
pH-метр – сулы ерітінділердегі сутегі иондарының активтілігін өлшейтін және оның қышқылдық немесе сілтілік деңгейін pH ретінде көрсететін ғылыми құрал. pH-метр pH электроды мен эталондық электрод арасындағы электрлік потенциалдың айырмашылығын өлшейді, сондықтан оны кейде "потенциометриялық pH-метр" деп те атайды. Электрлік потенциалдың айырмашылығы ерітіндінің қышқылдығына немесе pH-ына байланысты. pH-ты pH-метрлер арқылы тексеру (pH-метрия) зертханалық тәжірибелерден бастап сапаны бақылауға дейін көптеген салаларда қолданылады.
A pH meter is a scientific instrument that measures the hydrogen ion activity in water based solutions, indicating its acidity or alkalinity expressed as pH. The pH meter measures the difference in electrical potential between a pH electrode and a reference electrode, and so the pH meter is sometimes referred to as a "potentiometric pH meter". The difference in electrical potential relates to the acidity or pH of the solution. Testing of pH via pH meters (pH metry) is used in many applications ranging from laboratory experimentation to quality control.
Қолданбалар
Суда өтетін химиялық реакциялардың жылдамдығы мен нәтижесі көбінесе судың қышқылдығына байланысты, сондықтан судың қышқылдығын білу пайдалы, әдетте ол pH-метр арқылы өлшенеді. pH білу көптеген жағдайларда, соның ішінде химиялық зертханалық талдауларда қажетті немесе маңызды. pH-метрлер ауыл шаруашылығында топырақты өлшеу үшін, қалалық сумен жабдықтаудағы су сапасы, бассейндер, қоршаған ортаны қалпына келтіру; шарап немесе сыра қайнату; өндіріс, денсаулық сақтау және қан химиясы сияқты клиникалық қолданыстарда; және тағы да көптеген салаларда қолданылады. Сұйықтардың pH-ін өлшеуден басқа, арнайы электродтар жартылай қатты заттардың, мысалы, тағамдардың pH-ін өлшеуге де қолданылады. Олардың ұштары жартылай қатты заттарды тесіп өтуге ыңғайлы, тағам құрамымен үйлесімді электрод материалдарынан жасалған және бітелуге төзімді.
The rate and outcome of chemical reactions taking place in water often depends on the acidity of the water, and it is therefore useful to know the acidity of the water, typically measured by means of a pH meter. Knowledge of pH is useful or critical in many situations, including chemical laboratory analyses. pH meters are used for soil measurements in agriculture, water quality for municipal water supplies, swimming pools, environmental remediation; brewing of wine or beer; manufacturing, healthcare and clinical applications such as blood chemistry; and many other applications. In addition to measuring the pH of liquids, specially designed electrodes are available to measure the pH of semi solid substances, such as foods. These have tips suitable for piercing semi solids, have electrode materials compatible with ingredients in food, and are resistant to clogging.
Жұмыс істеу принципі
Потенциометриялық pH өлшегіштер екі электрод арасындағы кернеуді өлшеп, осыған сәйкес pH мәніне түрлендірілген нәтижені көрсетеді. Олар қарапайым электрондық күшейткіштен және электродтар жұбынан немесе комбинациялық электродтан, сондай-ақ pH бірліктерімен калибрленген дисплейден тұрады. Әдетте, құрамында шыны электрод және эталондық электрод немесе комбинациялық электрод болады. Электродтар немесе зондтар сыналынатын ерітіндіге енгізіледі. pH өлшегіштер антимон электродына (әдетте, қиын жағдайларда қолданылады) немесе квингидрон электродына негізделуі мүмкін. Шыны мембранасының екі жағындағы потенциалдар айырмасын дәл өлшеу үшін, әдетте, мембрананың әр жағында күміс хлорид электроды немесе каломель электроды қажет. Олардың мақсаты – өз жақтарындағы потенциалдың өзгеруін өлшеу. Біреуі шыны электродқа орнатылған. Екіншісі, сынақ ерітіндісімен кезеңді тығын арқылы байланысады, ол жеке эталондық электрод немесе комбинациялық электрод болуы мүмкін. Пайда болатын кернеу – шыны мембрананың екі жағындағы потенциалдар айырмасы, және екі эталондық электрод арасындағы айырмашылықпен түзетілуі мүмкін, оны өтеуге болады. Шыны электродқа арналған мақалада жақсы сипаттама мен сурет берілген. Электродтардың құрылымы – маңызды бөлік: олар әдетте шыныдан жасалған, төменгі жағында сенсор орналасқан лампасы бар таяқша тәрізді құрылымдар. pH өлшеуге арналған шыны электродтың шыны лампасы сутегі иондарының концентрациясына қатысты селективті болу үшін арнайы жасалған. Сыналатын ерітіндіге енген кезде, сынақ ерітіндісіндегі сутегі иондары шыны лампадағы басқа оң зарядталған иондармен алмасады, нәтижесінде лампа арқылы электрохимиялық потенциал туындайды. Электрондық күшейткіш өлшеу кезінде пайда болатын екі электрод арасындағы электрлік потенциалдар айырмасын анықтап, осы айырманы pH бірліктеріне түрлендіреді. Шыны лампадағы электрохимиялық потенциалдың шамасы Нернст теңдеуіне сәйкес pH-пен сызықтық байланыста болады. Эталондық электрод ерітіндінің pH-ына сезімтал емес, ол дисплейге қосылатын металл өткізгіштен тұрады. Бұл өткізгіш электролит ерітіндісіне, әдетте калий хлоридіне, батырылған, және керамикалық кезеңді мембрана арқылы сынақ ерітіндісімен байланысады. Дисплей – вольтметрден тұрады, ол кернеуді pH бірліктерімен көрсетеді. pH өлшегіш, әдетте, әр пайдалану алдында белгілі pH-ы бар ерітінділермен калибрленеді, өлшеудің дәлдігін қамтамасыз ету үшін. Ерітіндінің pH-ын өлшеу үшін электродтар зондтар ретінде қолданылады, олар сынақ ерітіндісіне енгізіліп, сынақ ерітіндісіндегі сутегі иондары шыны электродтағы лампа бетіндегі иондармен тепе-теңдікке жеткенше ұсталады. Бұл тепе-теңдік pH өлшемінің тұрақтылығын қамтамасыз етеді.
Potentiometric pH meters measure the voltage between two electrodes and display the result converted into the corresponding pH value. They comprise a simple electronic amplifier and a pair of electrodes, or alternatively a combination electrode, and some form of display calibrated in pH units. It usually has a glass electrode and a reference electrode, or a combination electrode. The electrodes, or probes, are inserted into the solution to be tested. pH meters may also be based on the antimony electrode (typically used for rough conditions) or the quinhydrone electrode. In order to accurately measure the potential difference between the two sides of the glass membrane reference electrode, typically a silver chloride electrode or calomel electrode are required on each side of the membrane. Their purpose is to measure changes in the potential on their respective side. One is built into the glass electrode. The other, which makes contact with the test solution through a porous plug, may be a separate reference electrode or may be built into a combination electrode. The resulting voltage will be the potential difference between the two sides of the glass membrane possibly offset by some difference between the two reference electrodes, that can be compensated for. The article on the glass electrode has a good description and figure. The design of the electrodes is the key part: These are rod like structures usually made of glass, with a bulb containing the sensor at the bottom. The glass electrode for measuring the pH has a glass bulb specifically designed to be selective to hydrogen ion concentration. On immersion in the solution to be tested, hydrogen ions in the test solution exchange for other positively charged ions on the glass bulb, creating an electrochemical potential across the bulb. The electronic amplifier detects the difference in electrical potential between the two electrodes generated in the measurement and converts the potential difference to pH units. The magnitude of the electrochemical potential across the glass bulb is linearly related to the pH according to the Nernst equation. The reference electrode is insensitive to the pH of the solution, being composed of a metallic conductor, which connects to the display. This conductor is immersed in an electrolyte solution, typically potassium chloride, which comes into contact with the test solution through a porous ceramic membrane. The display consists of a voltmeter, which displays voltage in units of pH. The pH meter is calibrated with solutions of known pH, typically before each use, to ensure accuracy of measurement. To measure the pH of a solution, the electrodes are used as probes, which are dipped into the test solutions and held there sufficiently long for the hydrogen ions in the test solution to equilibrate with the ions on the surface of the bulb on the glass electrode. This equilibration provides a stable pH measurement.
pH электроды мен эталондық электродының құрылысы
pH электродының шыны мембранасын жасау ерекшеліктері мен оның микроқұрылымы туралы мәліметтер өндірушілердің коммерциялық құпиясы болып сақталады. Дегенмен, дизайнның кейбір аспектілері жарияланған. Шыны – қатты электролит, онда сілті металл иондары ток тасымалдай алады. pH-қа сезімтал шыны мембрана әдетте шар тәрізді болады, бұл біркелкі мембрана жасауды жеңілдетеді. Мұндай мембраналардың қалыңдығы 0,4 миллиметрге дейін жетеді, бұл бастапқы дизайндардан қалыңдау, зондтардың беріктігін арттыру үшін. Шыны бетінде силикатты химиялық функционалдық тобы бар, ол ерітінділерден сілті металл иондары мен сутегі иондарына байланысу орындарын қамтамасыз етеді. Бұл 10−6 – 10−8 моль/см2 диапазонында ион алмасу қабілетін қамтамасыз етеді. Сутек иондарына (H+) қатысты селективтілік иондық зарядтың тепе-теңдігінен, басқа иондармен салыстырғанда көлемдік талаптардан және басқа иондардың координациялық санынан туындайды. Электрод өндірушілер осы факторларды тиімді тепе-теңдікке келтіретін, әсіресе литий шынысын қолданатын құралымдарды әзірледі. Электродтар пайдалануды жеңілдету үшін сынамалық ерітінділермен жылдам тепе-теңдікке келуге арналған. Тепе-теңдікке келу уақыты әдетте бір секундтан кем, бірақ электродтардың тозуымен бірге ұзарады.
Details of the fabrication and resulting microstructure of the glass membrane of the pH electrode are maintained as trade secrets by the manufacturers. However, certain aspects of design are published. Glass is a solid electrolyte, for which alkali metal ions can carry current. The pH sensitive glass membrane is generally spherical to simplify the manufacture of a uniform membrane. These membranes are up to 0.4 millimeters in thickness, thicker than original designs, so as to render the probes durable. The glass has silicate chemical functionality on its surface, which provides binding sites for alkali metal ions and hydrogen ions from the solutions. This provides an ion exchange capacity in the range of 10−6 to 10−8 mol/cm2. Selectivity for hydrogen ions (H+) arises from a balance of ionic charge, volume requirements versus other ions, and the coordination number of other ions. Electrode manufacturers have developed compositions that suitably balance these factors, most notably lithium glass. The electrodes are further designed to rapidly equilibrate with test solutions to facilitate ease of use. The equilibration times are typically less than one second, although equilibration times increase as the electrodes age.
Калибрлеу және пайдалану
Неміс стандарттау институты pH-метрлерді пайдалану арқылы pH өлшеу стандартын жариялайды, DIN 19263. Өте дәл өлшемдерді жүзеге асыру үшін pH-метрді әрбір өлшем алдында калибрлеу қажет. Көбінесе калибрлеу жұмыс күніне бір рет жасалады. Калибрлеудің қажеттілігі шыны электродтың ұзақ уақыт бойы тұрақты электростатикалық потенциалды қамтамасыз ете алмайтындығымен байланысты.
The German Institute for Standardization publishes a standard for pH measurement using pH meters, DIN 19263. Very precise measurements necessitate that the pH meter is calibrated before each measurement. More typically calibration is performed once per day of operation. Calibration is needed because the glass electrode does not give reproducible electrostatic potentials over longer periods of time.
pH өлшегіштердің түрлері
Жалпы алғанда, pH-метрлердің үш негізгі түрі бар. Зертханалық pH-метрлер көбінесе зертханаларда қолданылады және талдау үшін pH-метрге әкелінетін сынамаларды өлшеуге арналған. Портативті, немесе далалық pH-метрлер – қолда ұсталатын pH-метрлер, олар далалық жағдайларда немесе өндіріс орындарында сынаманың pH-ын өлшеу үшін қолданылады. Сызықтық немесе in-situ pH-метрлер, сондай-ақ pH анализаторлары деп те аталады, процесте pH-ты үздіріссіз өлшеу үшін қолданылады және дербес жұмыс істей алады, немесе процесті басқару үшін жоғары деңгейдегі ақпараттық жүйеге қосылуы мүмкін. pH-метрлердің диапазоны қарапайым және арзан қаламша тәрізді құрылғылардан бастап, компьютерлік интерфейстері және температураның pH-қа тигізетін әсерін ескере отырып, индикаторлар мен температура өлшемдерін енгізуге арналған бірнеше кірісі бар күрделі және қымбат зертханалық аспаптарға дейін жетеді. Шығыс деректері цифрлық немесе аналогты форматта болуы мүмкін, ал құрылғылар батареямен немесе желілік қуатпен жұмыс істей алады. Кейбір үлгілер электродтарды вольтметрлік дисплейге қосу үшін телеметрияны пайдаланады, сондай-ақ биологиялық микроорталар үшін де қолданылады. Бұған қоса, нарықта дәстүрлі шыны электродтардың орнына қатты күйдегі электродтарға негізделген pH-метрлер де бар.
In general there are three major categories of pH meters. Benchtop pH meters are often used in laboratories and are used to measure samples which are brought to the pH meter for analysis. Portable, or field pH meters, are handheld pH meters that are used to take the pH of a sample in a field or production site. In line or in situ pH meters, also called pH analyzers, are used to measure pH continuously in a process, and can stand alone, or be connected to a higher level information system for process control. pH meters range from simple and inexpensive pen like devices to complex and expensive laboratory instruments with computer interfaces and several inputs for indicator and temperature measurements to be entered to adjust for the variation in pH caused by temperature. The output can be digital or analog, and the devices can be battery powered or rely on line power. Some versions use telemetry to connect the electrodes to the voltmeter display device. and biological microenvironments. Additionally, there are commercially available pH meters based on solid state electrodes, rather than conventional glass electrodes.
Тарих
pH ұғымын 1909 жылы S. P. L. Sørensen анықтады, ал 1920 жылдары pH өлшеуге электродтар қолданылды. 1934 жылдың қазан айында Арнольд Орвилл Бекман pH өлшеуге арналған толық химиялық құралдың алғашқы патенін тіркеді, U.S. Патент № 2,058,761, оның «қышқылдық өлшегіші» үшін, кейін pH өлшегіші деп қайта аталды. Бекман Калифорния технология институтында химияның көмекші профессоры ретінде, Калифорния жеміс өсірушілер биржасы (Sunkist) үшін лимон шырынының қышқылдығын жылдам және дәл өлшеу әдісін жасауды сұрағанда, прототипті жасады. 1936 жылы компания 444 pH өлшегішті 60 000 долларға сатты. 2004 жылы Бекман pH өлшегіші ACS National Historic Chemical Landmark мәртебесіне ие болды, бұл оның коммерциялық тұрғыдан сәтті алғашқы электрондық pH өлшегіші ретіндегі маңыздылығын тану үшін жасалды. Данияның Radiometer Corporation компаниясы 1935 жылы құрылды және 1936 жылға қарай медициналық қолдануға арналған pH өлшегішті сатуға кірісті, бірақ «өндірістік мақсаттарда автоматты pH өлшегіштерді дамытуға көңіл бөлмеді. Оның орнына американдық құрал жасаушылар пиво зауыттарында, қағаз фабрикаларында, алюминий зауыттарында және су тазарту жүйелерінде қолданылатын әртүрлі өнеркәсіптік pH өлшегіштерді сәтті жасады», бұл фармацевтикалық өндіріс сияқты көптеген салаларда кеңінен қабылдануына әкелді. Бекман 1956 жылы портативті «қалта pH өлшегішін» сатты, бірақ оның цифрлық дисплейі болмады. 1970-ші жылдары Тайваньның Jenco Electronics компаниясы алғашқы портативті цифрлық pH өлшегішін жасап шығарды. Бұл өлшегіш Cole Parmer Corporation таңбасымен сатылды.
The concept of pH was defined in 1909 by S. P. L. Sørensen, and electrodes were used for pH measurement in the 1920s. In October 1934, Arnold Orville Beckman registered the first patent for a complete chemical instrument for the measurement of pH, U. S. Patent No. 2,058,761, for his "acidimeter", later renamed the pH meter. Beckman developed the prototype as an assistant professor of chemistry at the California Institute of Technology, when asked to devise a quick and accurate method for measuring the acidity of lemon juice for the California Fruit Growers Exchange (Sunkist). In its first full year of sales, 1936, the company sold 444 pH meters for $60,000 in sales. In 2004 the Beckman pH meter was designated an ACS National Historic Chemical Landmark in recognition of its significance as the first commercially successful electronic pH meter. The Radiometer Corporation of Denmark was founded in 1935, and began marketing a pH meter for medical use around 1936, but "the development of automatic pH meters for industrial purposes was neglected. Instead American instrument makers successfully developed industrial pH meters with a wide variety of applications, such as in breweries, paper works, alum works, and water treatment systems." which led to broader acceptance in a wide range of industries including pharmaceutical production. Beckman marketed a portable "Pocket pH Meter" as early as 1956, but it did not have a digital read out. In the 1970s Jenco Electronics of Taiwan designed and manufactured the first portable digital pH meter. This meter was sold under the label of the Cole Parmer Corporation.
pH өлшегіш құрастыру
Электродтарды жасау үшін арнайы өндіріс қажет, ал олардың дизайны мен құрастырылуының толық мәліметтері көбінесе сауда құпиясы болып саналады. Дегенмен, коммерциялық жеткізушілер вольтметрлік дисплейлерді ұсынады, олар қолдануды жеңілдетеді, соның ішінде калибрлеу және температураны түзету мүмкіндіктерін қамтиды.
Specialized manufacturing is required for the electrodes, and details of their design and construction are typically trade secrets. However, commercial suppliers offer voltmeter displays that simplify use, including calibration and temperature compensation.