Меню

Какие электроды можно использовать для измерения ph



какие электроды применяются при определении рН растворов в качестве индикаторных?

Рассмотрим более подробно работу рН-метра. В раствор опускают два электрода: индикаторный (измерительный) и электрод сравнения. Потенциал индикаторного электрода относительно раствора линейно зависит от величины рН раствора (это объясняется ниже) :
Uизм = а + b*pH (3)
Здесь а и b — константы, зависящие только от температуры.
В идеале потенциал индикаторного электрода не зависит от присутствия других ионов. Это называется селективностью индикаторного электрода к ионам водорода. Таким образом, рН-электрод относится к ионоселективным электродам.
Полезный сигнал (зависимость от рН раствора) возникает на границе раздела фаз мембрана индикаторного электрода-раствор, передается на металлический проводник, входящий в конструкцию индикаторного электрода и подается на вход рН-метра, который, как уже отмечалось выше, представляет собою специализированный вольтметр. Однако вольтметр не может измерить потенциал одного электрода. Он должен измерять напряжение, то есть разность потенциалов двух электродов. Поэтому необходим еще электрод сравнения, потенциал которого подается на второй вход рН-метра.

Конструктивно индикаторный рН-электрод выполняют в виде стеклянной трубки, один конец которой заканчивается тонкостенным стеклянным шариком. С другого конца в трубку погружают серебряную проволоку, покрытую плотным слоем хлорида серебра. Трубку заливают 0,1 М раствором соляной кислоты, так что кислота полностью, без пузырей заполняет шарик и проволока глубоко погружена в раствор соляной кислоты. Пузыри в шарике препятствуют работе рН-электрода, нарушают контакт между проволокой и стеклянной мембраной, который осуществляется через раствор соляной кислоты. Поэтому «неработающий» рН-электрод иногда достаточно встряхнуть (для удаления внутренних пузырей) , чтобы он заработал.
Электрод сравнения служит нулем отсчета. Это устройство, которое поддерживает постоянную величину разности потенциалов между своим выходом (который подключается на вход рН-метра) и точкой в растворе, куда погрузили его рабочую часть. Его потенциал относительно раствора не зависит от присутствия других ионов в растворе и вообще от состава раствора. Это целое устройство, использующее значительное количество научных и технических приемов.

Если мы опускаем электрод сравнения в раствор, то между точкой в растворе, куда он погружен и его выходом возникает постоянное напряжение Uсравн. Это напряжение подается на второй вход рН-метра (вход сравнения) . Падение напряжения в растворе равно нулю, так как никакой ток в растворе не протекает (а если протекает, то он мешает измерению рН) .

Таким образом, напряжение между входами рН-метра, то есть измеряемая величина, определяется выражением:

DU = Uизм — U сравн = а + b*pH — U сравн = с + b*pH (4)

Таким образом, между измеряемой рН-метром величиной напряжения и значением рН раствора возникает линейная связь.

Источник

ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ РН-МЕТРИИ. Рекомендации по выбору.

Описание

В настоящее время практически любая аналитическая лаборатория имеет в своем арсенале приборы для измерения кислотности, ионного состава растворов, а также редокс-потенциала — так называемые рН-метры и иономеры или, как их иногда называют, потенциометры. В состав любого потенциометра обязательно входит один или несколько датчиков – электродов. Измерения всегда проводят при помощи двух электродов:

измерительного и электрода сравнения (электродная пара). Измерительные электроды в свою очередь подразделяются на рН-электроды (для измерения кислотности или рН) и ионоселективные электроды (для измерения содержания в растворах различных одно- и двухвалентных ионов).

Наиболее распространены на сегодняшний день электроды производства Белоруссии:

ЭВЛ-1МЗ.1, ЭВЛ-1М4.1

ЭСЛ-43-07, ЭСЛ-43-07ср, ЭСЛ-63-07, ЭСЛ-63-07ср

Комбинированные (в одном корпусе объединены измерительный электрод и электрод сравнения)

ЭСКЛ-08М, ЭСКЛ-08М.1

Данные электроды широко применяются в практике, однако с 90-х годов в России стали изготавливать широкий спектр электродов не уступающих гомельским, а в чем-то даже превосходящие их. Электроды производства России можно подобрать к любому рН-метру или иономеру: от выпущенных в 80-х годах и уже снятых с производства, таких как ЭВ-74 до самых современных приборов российских или импортных производителей. Большим плюсом является также то, что электроды поставляются с российской поверкой, поверяются обычно, что называется «под клиента», т.е. в срок поставки включено время необходимое на поверку, зато клиент получает электрод, который нужно будет повторно поверять только через год.

Варианты замены наиболее распространенных белорусских электродов российскими аналогами

Белорусские электроды

Российские электроды-аналоги

Источник

Какие электроды можно использовать для измерения ph

Измерение pH (Водородного показателя)

Во многих жидких химических процессах очень важным является измерение концентрации ионов водорода в жидком растворе, или измерение pH фактора. Раствор с низким значением pH называют «кислым», а с высоким pH — «щелочным». Общая шкала pH находится в диапазоне от 0 (сильная кислота) до 14 (сильная щелочь). Среднее значение pH7 означает нейтральную среду (чистая вода).

Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода, или pondus hydrogenii — вес водорода. Вообще в химии буквой p принято обозначать величину, равную -lg, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода. Таким образом, рН является логарифмическим измерением количества молей ионов водорода (H + ) на литр раствора . Кстати, префикс «p» применяется и в других типах химических измерений, где требуется логарифмическая шкала, например: pCO2 (углекислый газ) и рО2 (кислород).

Логарифмическая шкала рН работает следующим образом: раствор с 10 -12 моль ионов Н + на литр имеет рН 12; раствор с 10 -3 моль ионов Н + на литр имеет рН 3. Вопреки распространённому мнению, pH может изменяться не только в интервале от 0 до 14, а может и выходить за эти пределы. Например, при концентрации ионов водорода [H + ] = 10 −15 моль /л, pH = 15, при концентрации ионов гидроксида 10 моль /л pOH = −1.

Несмотря на то, что показатель pH может быть измерен посредством изменения цвета некоторыми химическими порошками (хорошо знакомая вам из школьного курса химии «Лакмусовая бумажка»), непрерывный процесс мониторинга и контроля pH требует более сложного подхода. Наиболее распространенным подходом является использование специальных электродов — стеклянного и хлорсеребряного электрода сравнения, погруженных в исследуемый раствор. Электроды соединяются с pH-метром: электрический сигнал с них поступает в прибор. Между стеклянным электродом и электродом сравнения возникает разность потенциалов, пропорциональная водородному показателю:

Читайте также:  Рулетка для измерения давления

Устройство и принцип действия pH электродов является очень сложной темой, поэтому здесь мы ее рассмотрим вкратце. Вам важно знать, что эти два электрода генерируют напряжение, прямопропорциональное показателю pH раствора. В нейтральной среде (pH = 7), напряжение между электродами будет равно нулю. В кислотной среде (pH 7) его полярность будет противоположна.

Основная проблема конструкции электродов состоит в том, что один из них (измерительный электрод) должен быть изготовлен из специального стекла, выступающего в качестве ионно-селективного барьера, отсеивающего ионы водорода от других ионов, находящихся в растворе. Это стекло легируется ионами лития, что позволяет ему вступать в электрохимическую реакцию только с ионами водорода. Конечно, стекло нельзя назвать «проводником», оно скорее является очень хорошим диэлектриком, и это создает серьезную проблему в нашем намерении измерить напряжение между двумя электродами. Путь схемы от одного электрода, через стеклянный барьер и через раствор к другому электроду и обратно, обладает очень большим сопротивлением.

Другой электрод (электрод сравнения) представляет собой серебряную проволоку, погруженную в насыщенный раствор малорастворимого хлорида калия. Контакт электролита внутри электрода с исследуемым раствором осуществляется через электролитический ключ, он может быть сделан из любого химически устойчивого волокнистого материала (асбест, синтетическое волокно) или пористой керамики. Сопротивление этого контакта, как правило, относительно небольшое. Здесь вы можете спросить: а почему бы просто не опустить металлическую проволоку в раствор, чтобы получить электрическое соединение с жидкостью? Все дело в том, что такая схема работать не будет по одной простой причине: металлы очень реактивны в ионных растворах, и могут произвести значительное напряжение по всей площади контакта с жидкостью. Вышеописанная конструкция позволит избежать создания такого напряжения, которое было бы ложно интерпретировано любым измерительным прибором.

На рисунке ниже представлено устройство измерительного электрода. Обратите внимание на тонкую, легированную литием стеклянную мембрану, с помощью которой генерируется pH напряжение:

На следующем рисунке показана конструкция электрода сравнен ия. В нижней его части находится химически устойчивый волокнистый материал (асбест, синтетическое волокно) или пористая керамика, которая служит электролитическим ключом между насыщенным раствором хлорида калия и исследуемой жидкостью:

Напряжение, создаваемое измерительным электродом, используется для измерения pH (водородного показателя) раствора. Это напряжение возникает между наружной и внутренней сторонами стеклянной мембраны. Появляющееся на внутренней стороне мембраны напряжение передается серебряной проволоке, а появляющееся на внешней стороне — тестируемому раствору. Потенциал электрода сравнения остается практически постоянным при изменении внешних условий и не меняется при изменении концентрации исследуемого раствора. Измерительный прибор регистрирует разность потенциалов между двумя электродами – измерительным и сравнения. Сопротивление электрода сравнения относительно небольшое — всего несколько кОм, сопротивление же измерительного электрода, в зависимости от конструкции, может варьироваться от десяти до девятисот МОм. Поскольку ток в данной схеме проходит через сопротивления обоих электродов (а так же через сопротивление тестируемой жидкости), и эти сопротивления последовательны друг другу, общее сопротивление цепи будет больше любого из ее отдельных сопротивлений.

Обычный аналоговый или даже цифровой вольтметр обладает слишком низким внутренним сопротивлением , чтобы измерить напряжение в такой цепи . Приведенная ниже схема типового включения электродов иллюстрирует данную проблему :

Даже очень небольшой ток, проходящий через высокие сопротивления каждого из компонентов этой цепи (особенно через стеклянную мембрану измерительного электрода), произведет относительно существенные падения напряжения на них, значительно уменьшив тем самым напряжение, регистрируемое вольтметром. Усугубляет положение тот факт, что дифференциал напряжения, произведенный измерительным электродом, очень маленький — в диапазоне нескольких милливольт (в идеале — 59.16 милливольт на одну единицу pH при комнатной температуре). Исходя из этого можно сделать вывод, что измерительный прибор, предназначенный для выполнения данной задачи, должен обладать высокой чувствительностью и очень большим входным сопротивлением.

Самый распространенный способ решения этой проблемы состоит в использовании измерительного прибора с входным усилителем, обладающим высоким входным сопротивлением. Такой прибор позволяет измерить напряжение на электроде, забирая при этом минимальное количество тока от схемы. При использовании современных полупроводниковых компонентов, вольтметр с входным сопротивлением до 1017 Ом может быть построен без особых затруднений . Другой способ решения проблемы, редко используемый в настоящее время, заключается в использовании потенциометрического инструмента или инструмента нулевого балланса. Он тоже практически не забирает ток у схемы в процессе измерения. Если вы самостоятельно захотите проверить выходное напряжение между парой электродов , то при использовании стандартных измерительных приборов, легче всего это будет сделать вторым способом :

Регулируемый источник напряжения этой схемы нужно настроить таким образом, чтобы индикатор детектора «нуля» показал нулевое значение . Только после этого можно зафиксировать значение измеренного вольтметром напряжения.

Требования к соединительным проводам pH электродов еще более серьезные, чем к соединительным проводам термопар. Для обеспечения точного измерения они должны иметь чистые, надежные контакты и малую длину (10 метров и менее, даже при использовании позолоченных контактов и экранированного кабеля). Однако, все эти недостатки с лихвой компенсируются преимуществами: хорошей точностью и относительной технической простотой.

Не вдаваясь в тонкости химических процессов при измерении pH фактора, мы дадим вам несколько полезных советов:

  • Все pH электроды имеют ограниченный срок службы, который зависит от их типа и интенсивности использования. В некоторых случаях срок службы электродов может составить всего один месяц, а в других — до одного года.
  • Если измерительная система не в состоянии генерировать достаточное изменение напряжения при заданном изменении pH (около 59 милливольт на единицу pH), или не способна достаточно быстро реагировать на быстрое изменение pH тестируемой жидкости, то в этом виноват измерительный электрод, поскольку его стеклянная колба отвечает за генерацию напряжения, пропорционального уровню pH.
  • Если измерительная система «дрейфует», создавая ошибки выраженные в смещении напряжения, то в этом, с большой долей вероятности, виноват электрод сравнения.
  • В связи с нелинейным характером логарифмической шкалы (измерение pH является логарифмическим представлением концентрации ионов), изменение водородного показателя на одну единицу в верхней части диапазона (скажем от 12 до 13 pH) будет отличаться в количественном выражении химической активности от изменения водородного показателя на одну единицу в нижней части диапазона (например от 2 до 3 pH). Разработчики систем управления и обслуживающий персонал должны знать эту особенность в целях правильного управления процессом pH.
  • Следующие условия являются опасными для измерительных (стеклянных) электродов: высокая температура, экстремальные значения pH, высокая концентрация ионов в растворе, трение, фтористоводородная или плавиковая кислота в растворе (она растворяет стекло), любые материалы на поверхности стекла.
  • Любые изменения температуры в тестируемом растворе оказывают влияние как на показания измерительного электрода, так и на фактический pH жидкости. В целях компенсации влияния температуры на измерение pH могут использоваться сигналы от различных устройств измерения температуры.
Читайте также:  Методика шкала измерения тактик самопрезентации

В настоящее время ведутся исследования в области измерения pH, и некоторые из них весьма перспективны в плане преодоления традиционных ограничений измерительных электродов. Одной из таких технологий является использование полевых транзисторов, позволяющих произвести электростатическое измерение напряжения, создаваемого ионопроницаемой мембраной. Несмотря на то, что эта технология имеет свои ограничения, она носит новаторский характер, и может оказаться более практичной в недалеком будущем.

Источник

рН–метрия.

рН-метрия.

pH-метр — прибор для измерения водородного показателя (показателя pH), характеризующего активность ионов водорода в растворах, воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных системах непрерывного контроля технологических процессов, в том числе в агрессивных средах.

Понятие рН было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода, или pondus hydrogenii — вес водорода. Вообще в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную -lgX, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода (H + ).

В основу работы положен потенциометрический метод измерения pH и Eh контролируемого раствора. При измерении pH (или Eh) растворов используется первичный измерительный преобразователь — электродная система, состоящая из измерительного электрода и электрода сравнения.

Эти электроды могут представлять собой как раздельные устройства, так и быть объединены в одном корпусе (комбинированный электрод). Электродная система, погруженная в анализируемый раствор, развивает электродвижущую силу (ЭДС), пропорциональную показателю активности ионов водорода (pH) или соотношению концентраций окисленной и восстановленной форм редокс-системы. ЭДС электродной системы зависит также от температуры анализируемого раствора. Для измерения температуры и учета ее влияния на электродную систему (термокомпенсации) используется первичный преобразователь — датчик температуры, построенный на основе терморезистора (далее — термодатчик). Для электродных систем, применяемых для определения pH растворов, существует точка (значение pH) в которой их ЭДС не зависит от температуры. Эта точка носит название изопотенциальной, а соответствующие ей значения «pXi» и «Ei» называются координатами изопотенциальной точки. На основе измеренной величины ЭДС вторичный преобразователь (далее — преобразователь) осуществляет расчет значения pH по следующей формуле:

pН = pXi — (Е — Ei) / Кs • (54,1 + 0,198 t),

где Е — измеренная ЭДС электродной системы, мВ;

pХi — координата изопотенциальной точки электродной системы;

Ei — координата изопотенциальной точки электродной системы, мВ;

Ks — доля, которую составляет реальная крутизна электродной характеристики от теоретического значения, равного (54,1 + 0,198 t);

t — температура раствора, измеренная при помощи термодатчика или введенная вручную, °С.

Значение pH выводится на дисплей преобразователя. Кроме этого на дисплей могут выводиться результаты измерения ЭДС электродной пары и температуры среды в единицах мВ и °С соответственно.

рН-электроды

рН-электроды — это не идеальные системы. Они могут иметь различную длину, несовершенную геометрическую форму, нарушения в составе внутреннего электролита и т.д. Все это влияет на их характеристики и, в тоже время, это вполне нормально, так как в любом производстве существуют определенные допуски. Поэтому каждый рН-метр нуждается в калибровке, которая помогает прибору установить соотношение между сигналом от электрода и значением рН в растворе. Современные рН-электроды как правило комбинированные, т.е. в одном корпусе находятся и рН-электрод, и электрод сравнения. Помимо удобства в работе, это обеспечивает более быстрый отклик и снижает суммарную ошибку.

Выпускается огромное количество модификаций рН-электродов. По материалу рабочей мембраны серийные рН-электроды подразделяются на стеклянные, металлоксидные и пленочные с ПВХ-мембраной. Металлоксидные и пленочные электроды имеют ограниченную область применения, т.к. проигрывают стеклянным по всем основным параметрам. Наибольшее распространение получили стеклянные рН-электроды. Следует подчеркнуть, что название «стеклянный электрод» указывает только на материал рабочей мембраны, корпус же электрода может быть пластмассовый.

Как расшифровать название электрода отечественного производства:

ЭС — электрод стеклянный измерительный

ЭСК — электрод стеклянный комбинированный (объединяют в одном корпусе измерительный электрод и электрод сравнения)

ЭСр — электрод сравнения

Для электродов ЭС и ЭСК

10601/7 — марка электрода / значение изопотенциальной точки (7 или 4, 7 — у большинства современных российских и импортных приборов, 4 — в основном у белорусских приборов)

К 80.3 — марка разъема (К — кабель, 80 — длина 80 см, 3 — разъем типа «банан» для подключения к гомельским приборам типа ЭВ-74, И-130)

К 80.7 — кабель длиной 80 см с разъемом BNC для подключения к большинству современных российских и импортных приборов, например рН-150МИ, И-160, АНИОН-7000, МАРК-901, АНИОН-4100, Эксперт рН, рН-410, ИТАН, pH-метр HANNA HI83141.

Читайте также:  Делаем уровень для измерений

Для электродов ЭСр

10103/3,5 — марка электрода / концентрация раствора KCl в электроде.

Как подготовить стеклянный электрод к работе?

Новый рН-метр или новый электрод извлеките из упаковки и убедитесь в отсутствии механических повреждений электрода и соединительного кабеля.

Если Вы используете заполняемый электрод, необходимо заполнить электрод электролитом из флакона, входящего в комплект поставки, до уровня заливочного отверстия.

Использовать электрод после заполнения электролитом можно не ранее, чем через 8 ч. Это время необходимо для того, чтобы рабочее вещество встроенного электрода сравнения и пористая керамика электролитического ключа пропитались раствором.

Рекомендуется раз в 4–6 месяцев полностью заменять электролит в электроде свежим раствором 3М KCl.

Между измерениями электрод рекомендуется хранить в 3М растворе KCl.

Снять защитный колпачок и поместить рабочую мембрану (шарик) электрода в раствор HCl концентрацией 0,1 моль/л и выдержать в нем не менее 8 ч. Также в защитном колпачке может быть залит кондиционирующий раствор.

Перед началом измерений следует убедиться в отсутствии воздушных пузырей внутри рабочей мембраны (шарике) электрода. При необходимости удалить их встряхиванием (как встряхивают медицинский термометр), при этом пузыри должны переместиться в верхнюю часть электрода.

Перед началом измерений следует снять защитный колпачок и открыть заливочное отверстие. Глубина погружения электрода в раствор при измерении pH должна быть не менее 16 мм.

Уровень электролита в электроде должен поддерживаться в пределах показанных на рис. 1. При необходимости электролит следует доливать в электрод через заливочное отверстие.

При измерениях уровень электролита в электроде должен быть выше уровня анализируемого раствора.

Если в процессе эксплуатации произошло нарушение истечения электролита из электрода в результате засорения пористой керамики электролитического ключа, то рекомендуется выполнить следующие действия:

а) открыть заливочное отверстие, взять резиновую грушу, приставить носик груши к заливочному отверстию и, нажимая на грушу, создать внутри электрода избыточное давление;

б) или поместить электрод в дистиллированную воду (рабочая мембрана электрода при этом не должна касаться дна стакана) и нагреть ее до кипения, выдержать в течение 5–10 мин и дать остыть естественным образом.

Условия хранения и использования рН-электрода.

Во время транспортировки внутри стеклянного шарика рН-электрода могут образовываться мельчайшие пузырьки воздуха. Пузырьки можно удалить встряхиванием электрода.

Если защитный колпачок был сухим или электрод долгое время не использовался, в данном случае необходимо поместить электрод на несколько часов в сосуд с раствором для хранения электродов ( HI 70300 L ) или в буферный раствор с рН 7,01 ( HI 7007 L )

Если на длительное время оставить шарик электрода на воздухе, то начинается процесс дегидратации. В этом случае показания устанавливаются очень долго и становятся крайне нестабильными. Оставьте электрод на ночь погруженным в раствор для хранения ( HI 70300 L ) или в буферный раствор с рН 7,01 ( HI 7007 L ).

Налеты соли, обнаруживаемые на поверхности чувствительного шарика или в месте соединения с электродом сравнения, вызывают помехи в работе электрода. Сполосните электрод деионизованной водой и погрузите приблизительно на 30 минут в 0,1М раствор HCl ( HI 7061 L ).

Пленка органического масла или жира на чувствительном шарике электрода также приводит к потере чувствительности. Чтобы удалить пленку, ополосните шарик электрода раствором для очистки масел ( HI 7077 L ), вытрите насухо мягкой тканью, тщательно промойте электрод в дистиллированной воде и погрузите на несколько часов в раствор для хранения HI 70300 L или в буферный раствор с рН 7,01 ( HI 7007 L ).

Остатки белков (возникающие после измерений в молоке, сыре, мясе и т.д.) можно удалить обработкой стеклянного шарика электрода раствором пепсина и соляной кислоты ( HI 7073 L ). Погрузите электрод в этот раствор на несколько часов, затем тщательно сполосните его деионизированной водой, а затем на несколько часов погрузите в буферный раствор с рН 7,01 (HI 7007L).

Для того, чтобы сохранить характеристики электрода в неизменном виде (особенно это касается скорости измерения), он всегда должен оставаться во влажном состоянии. Наиболее подходящим для этих целей является раствор для хранения электродов (HI 70300L).

Никогда не храните электроды в дистиллированной или деионизированной воде.

Как правильно калибровать рН-метр?

Изоэлектрическая точка для рН-электродов находится на рН=7 (0 мВ). Поэтому, в первую очередь, прибор следует калибровать по буферу с нейтральным рН (например, 6,86 или 7,01). Вторую точку следует выбирать на расстоянии примерно 3 единицы рН, т.е. рН=4 или 10. Если прибор калибруется только по двум буферам, то выбор второй точки зависит от диапазона, в котором Вы преимущественно работаете. Если это щелочные растворы, то воспользуйтесь буфером с рН=9,18, если кислые — с рН=4,01. Это связанно с некоторой разницей в наклонах калибровочных прямых в кислой и щелочной области. Проблем не возникнет, если Ваш прибор может калиброваться по трем и более точкам. В этом случае порядок калибровки не важен, так как рН-метр самостоятельно его отслеживает.

Буферные растворы для калибровки рН-метров.

Для калибровки рН-метров необходимы буферные растворы, которые представляют собой специализированные водные растворы со стандартизованным значением концентрации (активности) ионов водорода (рН) на основе солей многоосновных кислот. НВ-Лаб предлагает растворы для калибровки собственного производства с рН 1,65; 3,56; 4,01; 6,86; 9,18; 12,43.

Буферные растворы должны быть защищены от доступа углекислого газа из воздуха, т.е. они должны храниться в плотно закрытой стеклянной или пластмассовой (фторопластовой, полипропиленовой и т.д.) посуде при температуре не выше 25°С.

Все буферные растворы должны быть защищены от попадания прямых солнечных лучей для предотвращения фотохимической деструкции. Их следует хранить в затемненном (желательно прохладном) месте, накрыв сосуды и пробирки непрозрачным материалом, например, темной х/б тканью.

Источник