Введение

Электрод, чувствительный к pH. Стеклянный электрод – это тип ионно-селективного электрода, изготовленный из допированной стеклянной мембраны, чувствительной к определенному иону. Наиболее распространенное применение ионно-селективных стеклянных электродов – измерение pH. pH-электрод является примером стеклянного электрода, чувствительного к ионам водорода. Стеклянные электроды играют важную роль в аппаратуре для химического анализа и физико-химических исследований. Напряжение стеклянного электрода, относительно некоторого опорного значения, чувствительно к изменениям активности определенных ионов.

История

Первые исследования стеклянных электродов (GE) показали различную чувствительность различных стекол к изменению кислотности среды (pH) из-за влияния ионов щелочных металлов. В 1906 году М. Кремер, отец Эрики Кремер, установил, что электрический потенциал, возникающий между частями жидкости, расположенными по разные стороны стеклянной мембраны, пропорционален концентрации кислоты (концентрации ионов водорода). В 1909 году С. П. Л. Сёрренсен ввёл понятие pH, а в том же году Ф. Хабер и З. Клеменсевич доложили о результатах своих исследований стеклянного электрода в Обществе химии в Карлсруэ. В 1922 году У. С. Хьюз показал, что щелочно-силикатные стеклянные электроды аналогичны водородным электродам и обратимы по отношению к H+. В 1925 году П. М. Туки Керридж разработал первый стеклянный электрод для анализа образцов крови и отметил некоторые практические проблемы, связанные с оборудованием, такие как высокое сопротивление стекла (50–150 МΩ). В ходе работы над докторской диссертацией Керридж разработала стеклянный электрод, предназначенный для измерения малых объемов раствора. Её продуманная и аккуратная конструкция стала пионерской работой в области создания стеклянных электродов.

Строительство

Типичным современным pH-зондом является комбинированный электрод, который объединяет стеклянный и референсный электроды в одном корпусе. Комбинированный электрод состоит из следующих частей (см. рисунок): чувствительная часть электрода – луковица, изготовленная из специального стекла. Внутренний электрод, обычно хлорсеребряный электрод или каломельный электрод. Внутренний раствор, обычно pH=7 буферный раствор 0,1 моль/л KCl для pH-электродов или 0,1 моль/л MCl для pM-электродов. При использовании хлорсеребряного электрода небольшое количество AgCl может осаждаться внутри стеклянного электрода. Референсный электрод, обычно того же типа, что и 2. Референсный внутренний раствор, обычно 3,0 моль/л KCl. Соединение с исследуемым раствором, обычно изготовленное из керамики или капилляра с асбестовым или кварцевым волокном. Корпус электрода, изготовленный из непроводящего стекла или пластика. Нижняя часть pH-электрода расширяется в круглую тонкую стеклянную луковицу. pH-электрод лучше всего представлять как трубку внутри трубки. Внутренняя трубка содержит постоянный раствор HCl концентрацией 1×10−7 моль/л. Также внутри внутренней трубки находится катодный конец референсного зонда. Анодный конец обернут вокруг внешней стороны внутренней трубки и заканчивается таким же референсным зондом, как и внутри внутренней трубки. Он заполнен эталонным раствором KCl и контактирует с раствором снаружи pH-зонда через пористую пробку, служащую солевым мостиком.

Ограничения

Стеклянный электрод имеет некоторые неотъемлемые ограничения, обусловленные особенностями его конструкции. Кислотные и щелочные ошибки обсуждались выше. Важным ограничением является наличие асимметрии потенциалов, возникающих на границах раздела стекло/жидкость. Существование этих явлений означает, что стеклянные электроды всегда требуют калибровки перед использованием; распространенный метод калибровки включает использование стандартных буферных растворов. Также происходит медленное ухудшение характеристик из-за диффузии веществ внутрь и наружу внутреннего раствора. Эти эффекты скрыты при калибровке электрода по буферным растворам, но отклонения от идеальной реакции легко обнаруживаются с помощью графо-анализа (грановой схемы). Обычно наклон характеристики электрода уменьшается в течение нескольких месяцев.

Хранение

Между измерениями стеклянные и мембранные электроды следует хранить в растворе, содержащем собственные ионы. Необходимо предотвратить высыхание стеклянной мембраны, так как её работоспособность зависит от наличия гидратированного слоя, формирование которого происходит медленно.