рН-метр
— pH-метр это научный прибор , который измеряет ионов водорода активность 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, от лабораторных экспериментов до контроля качества . [4]
Приложения
[ редактировать ]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 измерения 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, доступны специально разработанные электроды для измерения pH полутвердых веществ, таких как продукты питания. Они имеют наконечники, подходящие для прокалывания полутвердых веществ, материалы электродов, совместимые с пищевыми ингредиентами, и устойчивы к засорению. [7]
Дизайн и использование
[ редактировать ]
Принцип работы
[ редактировать ]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 хлорсеребряный электрод или каломельный электрод на каждой стороне мембраны требуется . 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 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 тестируемого раствора к тестируемому раствору в зависимости от разности потенциалов, создаваемой разницей концентраций ионов водорода на каждой стороне стеклянной мембраны между тестируемым 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 электроды используются в качестве зондов, которые погружают в тест-растворы и удерживают там достаточно долго, чтобы ионы водорода в тест-растворе пришли в равновесие с ионами на поверхности колбы на стеклянном электроде. . Такое уравновешивание обеспечивает стабильное измерение pH. [12]
Конструкция pH-электрода и электрода сравнения
[ редактировать ]Подробности изготовления и получаемая микроструктура стеклянной мембраны pH-электрода сохраняют в качестве коммерческой тайны . производители [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 10 −6 до 10 −8 моль/см 2 . Селективность по 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 спроектированы 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
Обслуживание
[ редактировать ]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 pH лабораторного уровня дает инструкции по очистке от конкретных загрязнений: общая очистка (15-минутное замачивание в растворе отбеливателя и моющего средства), соль ( раствор соляной кислоты, а затем гидроксид натрия и вода), жир (моющее средство или метанол), засоренный контрольный спай (раствор KCl), белковые отложения (1% раствор пепсина и HCl) и пузырьки воздуха. [15] [16]
Калибровка и работа
[ редактировать ]
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 температурных термопар в электродных зондах. В процессе калибровки напряжение, создаваемое зондом (приблизительно 0,06 В на единицу pH), сопоставляется со шкалой pH. Хорошая лабораторная практика требует, чтобы после каждого измерения зонды промывали дистиллированную или деионизированную воду для удаления любых следов измеряемого раствора, промокнуть салфеткой для впитывания остатков воды, которая может разбавить образец и, таким образом, изменить показания, а затем погрузить в раствор для хранения, подходящий для конкретного типа зонда . [18]
Типы рН-метров
[ редактировать ]
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]
pH-метры 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
Доступны специальные измерители и датчики для использования в особых условиях, например, в суровых условиях. [21] и биологическая микросреда. [6] Существуют также голографические датчики pH, которые позволяют измерять pH колориметрически , используя различные индикаторы pH . доступные [22] Кроме того, в продаже имеются pH-метры на основе твердотельных электродов , а не обычных стеклянных электродов. [23]
История
[ редактировать ]
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
Бекмана 8 апреля 1935 года переименованная в Национальные технические лаборатории сосредоточилась на производстве научных инструментов, а компания Arthur H. Thomas Company выступила дистрибьютором ее 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 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 строительной единице. [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 тайваньская компания Jenco Electronics разработала и произвела первый портативный цифровой pH-метр. Этот счетчик продавался под маркой Cole-Parmer Corporation . [32]
Изготовление рН-метра
[ редактировать ]Электроды требуют специализированного производства, а детали их конструкции и конструкции обычно являются коммерческой тайной. [13] : 125 Однако при покупке подходящих электродов стандартный мультиметр . для завершения сборки pH-метра можно использовать [33] Однако коммерческие поставщики предлагают дисплеи вольтметра, которые упрощают использование, включая калибровку и температурную компенсацию. [7]
См. также
[ редактировать ]- Сурьмяный электрод
- Ионоселективные электроды
- ISFET pH-электрод
- Потенциометрия
- Хингидроновый электрод
- Насыщенный каломельный электрод
- Хлоридсеребряный электрод
- Стандартный водородный электрод
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Опыт развития продукции Beckman Coulter» (PDF) . Бекман Коултер . Проверено 5 апреля 2017 г.
- ^ «рН-метр» . Британская онлайн-энциклопедия . 2016 . Проверено 10 марта 2016 г.
- ^ Оксфордский словарь биохимии и молекулярной биологии (2-е изд.), изд. Ричард Каммак, Тереза Этвуд, Питер Кэмпбелл, Ховард Пэриш, Энтони Смит, Фрэнк Велла и Джон Стирлинг, Oxford University Press, 2006 г., ISBN 9780198529170
- ^ Jump up to: а б «Измерение и значение pH» . Глобальная вода . Ксилем, Инк . Проверено 21 марта 2017 г.
- ^ Белл, Рональд Перси. «Кислотно-основная реакция» . Британская энциклопедия . Британская энциклопедия, Inc. Проверено 21 марта 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Луазель, ФБ; Кейси, младший (2010). «Измерение внутриклеточного pH». Мембранные транспортеры в открытии и разработке лекарств . Методы молекулярной биологии. Том. 637. стр. 311–31. дои : 10.1007/978-1-60761-700-6_17 . ISBN 978-1-60761-699-3 . ПМИД 20419443 .
- ^ Jump up to: а б «Справочник по измерению pH» (PDF) . ПрагоЛаб . Термо Сайентифик, Инк . Проверено 22 марта 2017 г.
- ^ Риддл, Питер (2013). «РН-метры и их электроды: калибровка, обслуживание и использование». Биомедицинский учёный . Апрель: 202–205.
- ^ Jump up to: а б с д Энтони, Дж. Флор. «Принципы pH-метра» . seafriends.org . Центр охраны морской среды и образования Seafriends . Проверено 28 марта 2017 г.
- ^ Ванисек, Петр (2004). «Стеклянный pH-электрод» (PDF) . Интерфейс . Нет. Лето. Электрохимическое общество. стр. 19–20 . Проверено 3 апреля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с Bitesize Bio: Как ухаживать за pH-метром , Штеффи Магуб, 18 мая 2012 г.
- ^ «Теория и практика измерения pH» (PDF) . Эмерсон Процесс Менеджмент . Декабрь 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2016 г. Проверено 3 апреля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Гальстер, Хельмут (1991). Измерение pH: основы, методы, применение, приборы . VCH Publishers, Inc. Вайнхайм: ISBN 978-3-527-28237-1 .
- ^ Ltd, WG Pye and Co (1962). «Потенциометрический pH-метр». Журнал научных инструментов . 39 (6): 323. дои : 10.1088/0950-7671/39/6/442 .
- ^ Jump up to: а б Лаборатория MRC: Как хранить, очищать и восстанавливать pH-электроды. Архивировано 22 сентября 2015 г. в Wayback Machine .
- ^ Чистка электродов .
- ^ «Измерение pH – цепи измерения pH» . Издательство Beuth DIN . Бойт Верлаг ГмбХ . Проверено 28 марта 2017 г.
- ^ «Как выполнить калибровку pH-метра» . all-about-pH.com . Проверено 14 декабря 2016 г.
- ^ «Что такое pH-метр и как он работает?» . ООО «Меттлер-Толедо» . Проверено 21 июля 2021 г.
- ^ «Руководство по теории и практике измерения pH» . ООО «Меттлер-Толедо» . Проверено 21 июля 2021 г.
- ^ Олсон, Вики (15 апреля 2015 г.). «Как выбрать датчик pH для суровых технологических сред» . Automation.isa.org . Международное общество автоматизации . Проверено 31 марта 2017 г.
- ^ А.К. Йетисен; Н Батт; Ф да Крус Васконселлос; И Монтелонго; КЭБ Дэвидсон; Дж. Блит; Дж. Б. Кармоди; С Виньолини; У Штайнер; Джей Джей Баумберг; Т.Д. Уилкинсон; Ч.Р. Лоу (2013). «Светонаправленная запись химически перестраиваемых узкополосных голографических сенсоров» . Передовые оптические материалы . 2 (3): 250. doi : 10.1002/adom.201300375 . S2CID 96257175 .
- ^ «РН-электрод» . pH-meter.info . Проверено 30 марта 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Трэвис, Энтони С.; Шретер, Х.Г.; Хомбург, Э. ; Моррис, PJT (1998). Определяющие факторы в эволюции европейской химической промышленности: 1900-1939 гг.: новые технологии, политические рамки, рынки и компании . Дордрехт: Клювер Акад. Опубл. п. 332. ИСБН 978-0-7923-4890-0 . Проверено 29 мая 2015 г.
- ^ Jump up to: а б Арнольд Текрей и Майнор Майерс-младший (2000). Арнольд О. Бекман: сто лет совершенства . предисловие Джеймса Д. Уотсона. Филадельфия, Пенсильвания: Фонд химического наследия. ISBN 978-0-941901-23-9 .
- ^ Jump up to: а б «Разработка pH-метра Beckman» . Национальные исторические химические достопримечательности . Американское химическое общество . Проверено 25 марта 2013 г.
- ^ Лютер, Клаудия (19 мая 2004 г.). «Арнольд О. Бекман, 104» . Чикаго Трибьюн Ньюс . Проверено 8 марта 2014 г.
- ^ Джениг, Кентон Г. В поисках помощи исторической коллекции Бекмана 1911–2011 гг. (Основная часть 1935–2004 гг.) . Проверено 30 октября 2015 г.
Нажмите «Помощь в поиске исторической коллекции Бекмана», чтобы перейти к полной версии документа.
{{cite book}}:|website=игнорируется ( помогите ) - ^ 15.3.1957: Патент Англии – Измерительные устройства для определения концентраций ионов и окислительно-восстановительных потенциалов, особенно подходящие для проведения измерений при повышенных температурах. Патент № 850177.
- ^ Доктор. А. Фихтер, доктор. В. Ингольд и А. Баерфус, Chemie-Ingenieur-Technik 10 (1964) 1000-1004: «Контроль pH в микробиологических процессах».
- ^ «Вот новый карманный pH-метр Beckman» . Институт истории науки . 1956 год . Проверено 6 августа 2019 г.
- ^ Буи, Джон. «Эволюция pH-метра» . Менеджер лаборатории . Проверено 7 октября 2010 г.
- ^ «Создание простейшего pH-метра» . 66pacific.com . Проверено 29 марта 2017 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Введение в измерение pH . Обзор pH и измерения pH на веб-сайте Omega Engineering.
- Разработка pH-метра Beckman – национальной исторической исторической достопримечательности Американского химического общества.
- Справочник по измерению pH — публикация компании Thermo-Scientific Co.