pH-метр: принцип работы и области применения.

Введение

Прибор, показывающий кислотность или щелочность водных растворов, выраженную в виде pH.

pH-метр – это научный прибор, измеряющий активность ионов водорода в водных растворах, определяющий их кислотность или щелочность, выраженную в виде pH. pH-метр измеряет разность электрических потенциалов между pH-электродом и референсным электродом, поэтому его иногда называют "потенциометрическим pH-метром". Разность электрических потенциалов связана с кислотностью или pH раствора. Определение pH с помощью pH-метров (pH-метрия) применяется в различных областях, от лабораторных исследований до контроля качества.

Приложения

Скорость и исход химических реакций, протекающих в воде, часто зависят от кислотности воды, поэтому полезно знать её кислотность, обычно измеряемую с помощью pH-метра. Знание pH полезно или критически важно во многих ситуациях, включая химические лабораторные анализы. pH-метры используются для измерения кислотности почвы в сельском хозяйстве, контроля качества воды в системах муниципального водоснабжения, в бассейнах, при восстановлении окружающей среды; в виноделии и пивоварении; в производстве, здравоохранении и в клинических областях, таких как анализ крови; а также во многих других областях применения. Помимо измерения pH жидкостей, существуют специально разработанные электроды для измерения pH полутвердых веществ, таких как продукты питания. Они оснащены наконечниками, подходящими для прокола полутвердых веществ, изготовлены из материалов, совместимых с ингредиентами продуктов питания, и устойчивы к засорению.

Принцип действия

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 некоторого типа дисплея, калиброванного в единицах pH. Обычно pH-метр содержит стеклянный электрод и референтный электрод или комбинированный электрод. Электроды, или зонды, погружаются в исследуемый раствор. pH-метры также могут быть основаны на антимонном электроде (обычно используемом в жестких условиях) или на хинидроновом электроде. Для точного измерения разности потенциалов между двумя сторонами мембраны референтного электрода обычно требуется электрод хлорида серебра или каломельный электрод с каждой стороны мембраны. Их задача – измерять изменения потенциала на каждой из сторон. Один из них встроен в стеклянный электрод. Другой, контактирующий с исследуемым раствором через пористую пробку, может быть отдельным референтным электродом или встроен в комбинированный электрод. Полученное напряжение представляет собой разность потенциалов между двумя сторонами стеклянной мембраны, которая может быть скорректирована с учетом возможной разницы между двумя референтными электродами. Статья о стеклянном электроде содержит подробное описание и схему. Конструкция электродов является ключевым элементом: это стержневидные структуры, обычно изготовленные из стекла, с баллоном, содержащим датчик в нижней части. Стеклянный электрод для измерения pH имеет стеклянный баллон, специально разработанный для селективного определения концентрации ионов водорода. При погружении в исследуемый раствор ионы водорода в растворе обмениваются с другими положительно заряженными ионами на стеклянном баллоне, создавая электрохимический потенциал на баллоне. Электронный усилитель обнаруживает разность электрических потенциалов между двумя электродами, возникающую в процессе измерения, и преобразует эту разность в единицы pH. Величина электрохимического потенциала на стеклянном баллоне линейно связана с pH в соответствии с уравнением Нернста. Референтный электрод 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. Дисплей состоит из вольтметра, отображающего напряжение в единицах pH. Для обеспечения точности измерений pH-метр калибруется с использованием растворов с известным pH, как правило, перед каждым использованием. Для измерения pH раствора электроды используются в качестве зондов, которые погружаются в исследуемый раствор и удерживаются в нем достаточно долго, чтобы ионы водорода в растворе достигли равновесия с ионами на поверхности баллона стеклянного электрода. Это равновесие обеспечивает стабильное измерение pH.

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.

Конструкция рН-электрода и эталонного электрода

Подробности изготовления и полученной микроструктуры стеклянной мембраны pH-электрода производители держат в секрете как коммерческую тайну. Однако определенные аспекты конструкции публикуются. Стекло является твердым электролитом, в котором переносчиками тока служат ионы щелочных металлов. Чувствительная к pH стеклянная мембрана обычно имеет сферическую форму для упрощения производства однородной мембраны. Толщина этих мембран достигает 0,4 миллиметра, что больше, чем в первоначальных конструкциях, для повышения прочности зондов. Поверхность стекла обладает силикатной химической функциональностью, обеспечивающей центры связывания ионов щелочных металлов и ионов водорода из растворов. Это обеспечивает ионообменную емкость в диапазоне от 10−6 до 10−8 моль/см². Селективность к ионам водорода (H+) обусловлена балансом ионного заряда, объемных требований по отношению к другим ионам и координационного числа других ионов. Производители электродов разработали составы, которые оптимально сбалансированы по этим параметрам, в частности, литиевое стекло. Электроды также сконструированы для быстрого установления равновесия с исследуемыми растворами, что облегчает их использование. Время установления равновесия обычно составляет менее одной секунды, хотя с возрастом электродов оно увеличивается.

Калибровка и эксплуатация

Немецкий институт стандартизации публикует стандарт для измерения pH с использованием pH-метров, DIN 19263. Для получения очень точных результатов измерения pH-метр необходимо калибровать перед каждым измерением. Чаще всего калибровку проводят один раз в день работы. Калибровка требуется, поскольку стеклянный электрод со временем перестает выдавать воспроизводимые электростатические потенциалы.

Типы рН-метров

В целом, существует три основные категории pH-метров. Стационарные pH-метры часто используются в лабораториях для измерения образцов, которые доставляются к прибору для анализа. Портативные, или полевые pH-метры – это ручные приборы, используемые для измерения pH образца непосредственно в полевых условиях или на производственной площадке. pH-метры для непрерывного мониторинга в процессе, также называемые pH-анализаторами, применяются для постоянного измерения pH в технологическом процессе и могут работать автономно или быть подключены к вышестоящей информационной системе для управления процессом. pH-метры варьируются от простых и недорогих устройств, напоминающих ручку, до сложных и дорогостоящих лабораторных приборов с компьютерными интерфейсами и несколькими входами для ввода данных об индикаторах и температуре, необходимых для компенсации влияния температуры на показания pH. Выходной сигнал может быть цифровым или аналоговым, а питание приборов может осуществляться от батарей или от сети. Некоторые модели используют телеметрию для соединения электродов с устройством отображения показаний. Также существуют коммерчески доступные pH-метры, основанные на твердотельных электродах, в отличие от традиционных стеклянных электродов.

История

Понятие pH было определено в 1909 году С. П. Л. Сёренсеном, а электроды использовались для измерения pH в 1920-х годах. В октябре 1934 года Арнольд Орвилл Бекман зарегистрировал первый патент на полный химический прибор для измерения pH, патент США № 2,058,761, для его "кислотомера", позже переименованного в pH-метр. Бекман разработал прототип, будучи ассистентом профессора химии в Калифорнийском технологическом институте, когда его попросили разработать быстрый и точный метод измерения кислотности лимонного сока для Калифорнийской ассоциации производителей фруктов (Sunkist). В первый полный год продаж, в 1936 году, компания продала 444 pH-метра на сумму 60 000 долларов. 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. Корпорация Radiometer Corporation of Denmark была основана в 1935 году и начала продавать pH-метр для медицинского использования примерно в 1936 году, но "разработка автоматических pH-метров для промышленных целей была заброшена. Вместо этого американские производители приборов успешно разработали промышленные pH-метры для широкого спектра применений, например, в пивоваренной, бумажной, алюминиевой промышленности и системах очистки воды". Это привело к более широкому распространению в различных отраслях, включая фармацевтическое производство. Бекман начал продавать портативный "карманный pH-метр" уже в 1956 году, но он не имел цифрового дисплея. В 1970-х годах компания Jenco Electronics из Тайваня разработала и изготовила первый портативный цифровой pH-метр. Этот прибор продавался под маркой корпорации Cole Parmer.

Создание рН-метров

Для изготовления электродов требуется специализированное производство, а детали их конструкции и изготовления обычно составляют коммерческую тайну. Однако коммерческие поставщики предлагают дисплеи вольтметров, упрощающие их использование, включая калибровку и температурную компенсацию.