실험실 pH 장비

전기화학은 전극과 전해질 간의 전자 이동에 관여하는 용액 내에서 발생하는 화학 반응에 대한 연구입니다. 전기화학 측정에는 다음이 포함됩니다.

• pH
• 전도도 (Cond)
• 산화 환원 전위 (ORP 또는 Redox)
• 이온 농도 (ISE)
• 용존 산소 (DO)

pH는 수용액의 산도 또는 알칼리도를 나타내는 데 사용되는 척도입니다. pH 값은 수소 이온의 농도(좀 더 정확히 말하면 활성도)와 관련이 있습니다. pH가 7 미만인 용액은 산성(높은 수소 이온 농도)이며 pH가 7을 초과하는 용액은 염기성(낮은 수소 이온 농도)입니다.

pH 측정 목적:

• 속성이 정의된 제품 생산
  
• 낮은 비용으로 제품 생산
  
• 제품의 품질을 보장하여 사람, 재료 및 환경에 대한 피해 예방
  
• 규제 요건 이행
• 장비 보호
  
• 연구개발을 위한 지식 확보

실험실 pH 장비는 다음과 같은 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.

• 제약 및 생명 공학
• 유제품
• 토양 및 하수 처리
• 화장품
• 용수 여과
  
• 식품 및 음료

또한 pH 장비는 실험실 이외의 Application에도 필요합니다. 여기에는 산업용 생산과 그 주변, 그리고 현장이 포함됩니다(용수, 하수, 토양 등의 측정).

pH 측정을 위해 필요한 도구는 상대적으로 복잡하지 않고 올바르게 사용할 경우 신뢰할 수 있는 측정을 제공합니다. 일반적인 실험실 pH 장비는 다음과 같이 구성됩니다.

• pH 미터: 유리 전극과 기준 전극 간의 전압 차를 측정하여 pH 값을 계산하는 전위차계.
• 센서: 회로 완성을 위한 하나의 기준 전극과 하나의 pH 전극. 최근의 센서는 결합이 가능하며, 결합 pH 전극이라고 부릅니다.

필요한 기타 도구는 다음과 같습니다.

• 교정 솔루션: 샘플의 pH를 측정하기 전에 pH 값이 알려진 두 개 이상의 기준 용액을 사용하여 pH 전극을 교정(Calibration)해야 합니다.
• 샘플: 샘플은 측정할 용액을 말하며 수용액이거나 pH 측정이 가능할 만큼 충분한 물을 함유하고 있어야 합니다.

예, pH와 전도도는 관계가 있지만, 선형적이거나 절대적이지는 않습니다.
pH 센서는 용액 내의 H⁺에만 반응하는 반면, 전도도의 경우 센서는 용액 내에서 전하를 띤 모든 이온(음이온 및 양이온)의 활성도를 측정합니다. 이온의 농도가 높을수록 전도도가 높아집니다.

또한 이온의 이동성은 전도도를 높이는 효과가 있습니다. 용액 내에서 일반적인 이온 중 가장 이동성이 높은 양이온은 수소 이온[H⁺]으로 그 값이 350 단위이고, 가장 이동성이 높은 음이온은 수산화 이온[OH^-]이며 그 값은 199 단위입니다. 그 외의 일반적인 이온은 값이 40 ~ 80 단위입니다. 즉, 산성이 강한(또는 염기성이 강한) 용액은 전도도가 높습니다. pH는 수소 이온 농도의 척도이므로 다음 규칙이 적용됩니다.

• 산성 용액(< pH 7): pH가 낮을수록(즉, H⁺ 농도가 높을수록) 전도도가 높습니다.
  
• 알칼리성 용액(> pH 7): pH가 높아지면(OH^- 이온 증가) 전도도가 높아집니다.
  
• 중성 pH(pH 7)는 H⁺ 및 OH^- 이온의 농도가 동일하기 때문입니다. 하지만 용액의 전도도에 영향을 미칠 수 있는 다른 이온이 용액에 전혀 없다는 의미는 아닙니다.
  
  

예: 탈이온수의 pH는 이론적으로 7.0이며 전도도는 0.055 µS/cm입니다. 여기에 NaCl 소금을 첨가한 이후 NaCl 용액은 여전히 pH가 중성이지만, 용액의 전도도는 첨가된 NaCl의 양에 따라 크게 증가할 수 있습니다.

요약: 샘플의 pH와 전도도는 샘플 각각에 대해 별도로 측정해야 하며 이론적으로 상호 연관시킬 수 없습니다.

pH 측정은 샘플의 온도에 좌우됩니다. 아래의 사항을 염두에 두는 것이 중요합니다.

a. 전극의 기울기에 대한 온도의 영향:
pH 전극은 측정용 및 기준용 반쪽 전지 간의 전위(mV)를 제공합니다. 실험실 pH 장비는 -2.3 * R * T / F의 온도 의존 계수를 사용하여 이 전위로부터 pH 값을 계산합니다. 여기서 R은 범용 가스 상수, T는 켈빈 단위 온도이며 F는 패러데이 상수입니다. 298 K(25 °C)에서 계수는 -59.16 mV/pH입니다. 이 값을 기준 온도(25 °C)에서 전극의 이론적 기울기라고 합니다. 이를 통해 다른 온도에서의 기울기 값을 계산할 수 있습니다. 예: -56.18 mV/pH(10 °C), -58.17 mV/pH(20 °C), -60.15 mV/pH(30 °C) 등. 온도가 pH 측정에 미치는 영향은 자동(ATC) 또는 수동 온도 보상(MTC)으로 교정됩니다. 따라서 샘플의 온도를 알거나 온도 프로브를 사용하는 것이 중요합니다. 온도가 잘못 지정되면 5 °C 차이당 0.12 pH 단위의 오차가 발생합니다.

b. 샘플의 pH 값에 대한 온도의 영향:
샘플의 pH 값은 온도에 따라 변합니다. 이 변화는 화학적인 효과이므로 샘플 종류에 따라 다르게 나타납니다. 이 영향은 보상할 수 없습니다. 실제 온도에서의 실제 pH 값만 표시됩니다. 따라서 같은 온도에서 측정된 pH 값만 비교하는 것이 중요합니다.

예외: 여러 상용 버퍼 용액에서 pH의 온도 의존도가 장비에 저장되는 경우입니다. 결과적으로, 측정된 전위가 자동으로 25 °C 또는 20 °C를 기준으로 하기 때문에 전극이 다양한 온도에서 교정됩니다. 이러한 기능을 활용하기 위해서는 올바른 버퍼 그룹을 선택하고 교정 중 온도를 측정하는 것이 중요합니다.

전도도 측정은 온도에 따라 크게 달라집니다(°C당 약 2% 차이). 모든 샘플의 온도가 동일하거나 값이 특정 기준 온도를 기준으로 하는 경우에만 결과를 비교할 수 있습니다.

대부분의 경우 선형 온도 보상이 사용됩니다. 작업자는 기준 온도로 20 °C 또는 25 °C를 선택해야 합니다. 그런 다음 측정된 온도와 기준 온도 간의 차이에 α(단위, %/°C)라고 부르는 보상 계수를 곱하면 결과적으로 전도도가 보상됩니다.

올바르게 계산하려면 각 샘플에 대해 선형 보상 계수 α를 반드시 측정해야 합니다. 온도 의존도는 선형으로 간주되지만, 현실에서는 이러한 “선형” 계수 자체가 샘플의 이온 농도 및 온도에 따라 달라집니다. α의 공장 설정은 2.00 %/°C입니다. 모든 Five 및 Seven 측정기에서 α는 0.00 %/°C부터(즉, 온도 보상이 전혀 없음) 10 %/°C까지 조정할 수 있습니다.

메틀러 토레도 pH 역량 및 지원 센터(pH CSC)는 직접적인 전기 화학 분석과 관련된 전문가 팀으로 구성되어 있습니다. 해당 팀에서 고객, 기술 지원 부서, 제품 관리 부서 및 제품 개발 부서와 긴밀하게 접촉함으로써 신속한 자문 및 효과적인 해결책을 제공하여 pH 분석 영역에서 돋보이는 서비스를 제공합니다.

제공하는 기술 및 응용 지원에는 다음 측정 파라미터 및 메틀러 토레도와 관련된 pH 실험실 장비가 포함됩니다.

• pH
• Redox (ORP)
• 이온 농도 (ISE)
• 전도도
• 용존 산소 (DO)