pH測量的基本原理
本文講述了PH計(jì)的定義、PH測量原理及各種測量方法;PH酸堿度計(jì)的大致分類。主要是針對目前市場使用較多的PH酸堿度計(jì)、傳感器原理進(jìn)行分析,對PH酸堿度計(jì)分類進(jìn)行簡單介紹。 隨著人民生活水平的提高,PH酸堿度計(jì)逐步進(jìn)入了我們的生活,與我們的生活息息相關(guān),廣泛應(yīng)用在環(huán)保、食品、化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。 PH酸堿度計(jì)的定義、原理與測量方法 什么是PH?PH是拉丁文“Pondus hydrogenii”一詞的縮寫(Pondus=壓強(qiáng)、壓力hydrogenium=氫),用來量度物質(zhì)中氫離子的活性。這一活性直接關(guān)系到水溶液的酸性、中性和堿性。水在化學(xué)上是中性的,但不是沒有離子,即使化學(xué)純水也有微量被離解:嚴(yán)格地講,只有在與水分子水合作用以前,氫核不是以自由態(tài)存在。 H2O+ H2O=H3O++ OHˉ 由于水全氫離子(H3O)的濃度事與氫離子(H)濃度等同看待,上式可以簡化成下述常用的形式: H2O=H++ OHˉ 此處正的氫離子人們在化學(xué)中表示為“H+離子”或“氫核”。水合氫核表示為“水合氫離子”。負(fù)的氫氧根離子稱為“氫氧化物離子”。 利用質(zhì)量作用定律,對于純水的離解可以找到一平衡常數(shù)加以表示:
由于水只有極少量被離解,因此水的克分子濃度實(shí)際為一常數(shù),并且有平衡常數(shù)K可求出水的離子積KW。 KW=K×H2O KW= H3O+·OH-=10-7·10-7=10mol/l(25℃) 也就是說對于一升純水在25℃時(shí)存在10-7摩爾H3O+離子和10-7摩爾OHˉ離子。 在中性溶液中,氫離子H+和氫氧根離子OHˉ的濃度都是10-7mol/l。如: 假如有過量的氫離子H+,則溶液呈酸性。酸是能使水溶液中的氫離子H+游離的物質(zhì)。同樣,如果氫離子H+并使OHˉ離子游離,那末溶液就是堿性的。所以,給出CH+值就足以表示溶液的特性,呈酸性堿性,為了免于用此克分子濃度負(fù)冥指數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,生物學(xué)家澤倫森(Soernsen)在1909年建議將此不便使用的數(shù)值用對數(shù)代替,并定義為“pH值”。數(shù)學(xué)上定義pH值為氫離子濃度的常用對數(shù)負(fù)值。即 因此,PH值是離子濃度以10為底的對數(shù)的負(fù)數(shù): 改變50m3的水的pH值,從pH2到pH3需要500L漂白劑。然而,從pH6到pH7只需要50L的漂白劑。 測量PH值的方法很多,主要有化學(xué)分析法、試紙法、電位法?,F(xiàn)主要介紹電位法測得PH值。 電位分析法所用的電極被稱為原電池。原電池是一個(gè)系統(tǒng),它的作用是使化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能。此電池的電壓被稱為電動勢(EMF)。此電動勢(EMF)由二個(gè)半電池構(gòu)成,其中一個(gè)半電池稱作測量電極,它的電位與特定的離子活度有關(guān),如H+;另一個(gè)半電池為參比半電池,通常稱作參比電極,它一般是測量溶液相通,并且與測量儀表相連。 例如,一支電極由一根插在含有銀離子的鹽溶液中的一根銀導(dǎo)線制成,在導(dǎo)線和溶液的界面處,由于金屬和鹽溶液二種物相中銀離子的不同活度,形成離子的充電過程,并形成一定的電位差。失去電子的銀離子進(jìn)溶液。當(dāng)沒有施加外電流進(jìn)行反充電,也就是說沒有電流的話,這一過程zui終會達(dá)到一個(gè)平衡。在這種平衡狀態(tài)下存在的電壓被稱為半電池電位或電極電位。這種(如上所述)由金屬和含有此金屬離子的溶液組成的電極被稱為*類電極。 此電位的測量是相對一個(gè)電位與鹽溶液的成分無關(guān)的參比電極進(jìn)行的。這種具有獨(dú)立電位的參比電極也被稱為第二電極。對于此類電極,金屬導(dǎo)線都是覆蓋一層此種金屬的微溶性鹽(如:Ag/AgCL),并且插入含有此種金屬鹽限離子的電解質(zhì)溶液中。此時(shí)半電池電位或電極電位的大小取決于此種陰離子的活度。 此二種電極之間的電壓遵循能斯特(NERNST)公式:
式中:E—電位 E0—電極的標(biāo)準(zhǔn)電壓 R—氣體常數(shù)(8.31439焦耳/摩爾和℃) T—開氏溫度(例:20℃=273+293開爾文) F—法拉弟常數(shù)(96493庫化/當(dāng)量) n—被測離子的化合價(jià)(銀=1,氫=1) aMe—離子的活度 標(biāo)準(zhǔn)氫電極是所有電位測量的參比點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)氫電極是一根鉑絲,用電解的方法鍍(涂覆)上氯化鉑,并且在四周充入氫氣(固定壓力為1013hpa)構(gòu)成的。 將此電極浸入在25℃時(shí)H3O+離子含量為1mol/l溶液中便形成電化學(xué)中所有電位測量所參照的半電池電位或電極電位。其中氫電極做為參比電極在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn),于是使用第二類電極做為參比電極。其中zui常用的便是銀/氯化銀電極。該電極通過溶解的AgCl對于氯離子濃度的變化起反應(yīng)。 此參比電極的電極電位通過飽和的kcl貯池(如:3mol/l kcl)來實(shí)現(xiàn)恒定。液體或凝膠形式的電解質(zhì)溶液通過隔膜與被測溶液相連通。 利用上述的電極組合—銀電極和Ag/AgCl參比電極可以測量膠片沖洗液中的銀離子含量。也可以將銀電極換成鉑或金電極進(jìn)行氧化還原電位的測量。例如:某種金屬離子的氧化階段。
如第二電極,導(dǎo)出。PH復(fù)合電極和PH固態(tài)電極,如圖 此電位差遵循能斯特公式:
E=59.16mv/25℃ per pH 式中R和F為常數(shù),n為化合價(jià),每種離子都有其固定的值。對于氫離子來講n=1。溫度“T”做為變量,在能斯特公式中起很大作用。隨著溫度的上升,電位值將隨之增大。 對于每1℃的溫度變大,將引起電位0.2mv/per pH變化。用pH值來表示則每1℃第1pH變化0.0033pH值。 這也就是說:對于20~30℃之間和7pH左右的測量不需要對溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償;而對于溫度>30℃或<20℃和pH值>8pH或6pH的應(yīng)用場合則必須對溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。 圖1:pH值一電位一離子濃度之間的關(guān)系 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 OH離子 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 H 離子 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH +414.4•••• •• ••••+.59.2 0 -59.2•••••••••••• •••• -414.4 mv/25℃ 從以上我們對PH測量的原理進(jìn)行了分析而得知我們只要用一臺毫伏計(jì)即可把PH值顯示出來 PH酸堿度計(jì)的分類 人們根據(jù)生產(chǎn)與生活的需要,科學(xué)地研究生產(chǎn)了許多型號的酸堿度計(jì): 按測量精度上可分0.2級、0.1級、0.01級或更高精度 按儀器體積上分有筆式(迷你型)、便攜式、臺式還有在線連續(xù)監(jiān)控測量的在線式。 根據(jù)使用的要求: 筆式(迷你型)與便攜式PH酸堿度計(jì)一般是檢測人員帶到現(xiàn)場檢測使用。 選擇PH酸堿度計(jì)的精度級別是根據(jù)用戶測量所需的精度決定,而后根據(jù)用戶方便使用而選擇各式形狀的PH計(jì)。 結(jié)束語: 國外PH酸堿度計(jì)是上個(gè)世紀(jì)初開展研究發(fā)展,中國于上個(gè)世紀(jì)中葉也開始研究生產(chǎn),近二十年PH酸堿度計(jì)迅猛發(fā)展,不管是質(zhì)量與多功能性都可滿足人們的使用的需要。 目前隨著人們對PH的酸堿度計(jì)的使用與研究和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,PH酸堿度計(jì)的電極與儀器都將有很大的發(fā)展,它將以更的測量和更方便人們的使用為目標(biāo),不斷發(fā)展。 |
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