 |
Точность и достоверность измерения рН зависят от надежности прибора и электродов. Правильный выбор оборудования, надлежащее обращение и техническое обслуживание — ключевые факторы для получения оптимальных результатов и длительного срока эксплуатации приборов. |
Теория и практика лабораторных измерений
В данном руководстве по измерению pH даются понятные практические рекомендации по измерению рН в лабораторных и полевых условиях. В руководстве содержится множество полезных советов и рекомендаций по ключевым моментам, а описание анализов подкрепляется теоретическими основами измерений кислотности и щелочности. Также представлены различные виды рН-электродов и критерии выбора правильного электрода
для конкретного образца.
Содержание:
- Введение в измерения pH.
- Выбор электрода и работа с ним.
- Возможные ошибки при измерении pH и способы их устранения.
- Основные принципы измерения pH.
Краткое содержание руководства по измерению рН:
1. Введение в измерения pH
Почему такая бытовая жидкость, как уксус, относится к категории кислот? Причина в том, что уксус содержит избыток ионов гидроксония (H3O+), и этот избыток ионов делает раствор кислым. Избыток гидроксильных ионов (OH–), с другой стороны, придает веществу свойства основания или щелочи. В чистой воде все ионы гидроксония нейтрализуются гидроксильными ионами, и этот раствор имеет нейтральное значение рН.
H3O+ + OH– ↔ 2 H2O
Рис. 1.
В результате реакции кислоты и основания образуется вода Если молекулы вещества в процессе диссоциации высвобождают ионы водорода или протоны, это вещество называется кислотой, а раствор становится кислым. Наиболее известные кислоты — соляная, серная и уксусная кислота или уксус. Диссоциация уксуса показана ниже:
CH3COOH + H2O ↔ CH3COO– + H3O+
Рис. 2. Диссоциация уксусной кислоты
Кислоты различаются по силе. Как и степень кислотности, это свойство определяется общим числом ионов водорода в растворе. Значение рН затем определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. (Точнее, оно определяется активностью ионов водорода. Подробнее об активности ионов водорода см. в разделе 4.2).
pH = –log [H3O+]
Рис. 3. Формула расчета значения рН из концентрации ионов гидроксония
Количественное различие между кислотными и щелочными веществами можно определить, измерив значения рН. На рис. 4 приведено несколько примеров значений рН бытовых и химических веществ:
... узнайте больше в руководстве по измерению pH ....
1.1. Кислое или щелочное
1.2. Зачем измеряют значения pH?
1.3. Инструменты для измерения pH
a) pH-электрод
b) электроды сравнения
c) комбинированные электроды
1.4. Практическое руководство для правильного измерения pH
a) подготовка образца
b) калибровка
c) pH-электрод
d) расчетная точность измерения
1.5. Пошаговое руководство по измерению pH
2. Выбор электрода и работа с ним
Для оптимального измерения pH необходим правильный электрод.
Нужно учитывать следующие характеристики измеряемого образца: химический состав, гомогенность, температура, диапазон pH и размер емкости (ограничения по длине и ширине). Выбор датчика особенно важен для неводных образцов, образцов с низкой электропроводностью или высоким содержанием белка, а также вязких образцов. В этих случаях использование стеклянных электродов общего назначения может привести к ошибкам.
Время отклика и точность показаний электрода зависят от ряда факторов. Проведение измерений при критических температурах и значениях pH, равно как и при низкой электропроводности, может занимать больше времени, чем измерение водных растворов с нейтральным pH при комнатной температуре.
Ниже показаны различия между образцами разных типов, в качестве отправной точки используются характеристики электрода. В данной главе в основном обсуждаются комбинированные рН-электроды.
а) Керамические мембраны
Отверстие для контакта с образцом в эталонной части рН-электрода может
иметь разную форму. Со временем эти
формы изменялись из-за различных требований
к электродам при измерении разнообразных образцов. Самая простая из этих форм — керамическая мембрана
(стандартная). Она состоит
из кусочка пористой керамики, который вставлен в стеклянный стержень
электрода. Этот пористый керамический материал позволяет электролиту
медленно и постепенно вытекать из электрода.
Этот вид мембран хорошо подходит для стандартных измерений в водных
растворах. Примером такого электрода является InLab®Routine Pro
от МЕТТЛЕР ТОЛЕДО. Схема устройства этой мембраны
показана ниже на рис. 14.
.. узнайте больше в руководстве по измерению pH ....
2.1. Различные типы мембран
a) керамические мембраны;
b) цилиндрические и стеклянные мембраны;
c) открытые соединения
2.2. Системы сравнения и электролиты
2.3. Виды мембранного стекла и формы мембран
2.4. pH-электроды для конкретных задач
Простые образцы
Загрязненные образцы
Эмульсии
Твердые и полутвердые образцы
Плоские и очень малые образцы
Малые образцы и емкости со сложными образцами
InLab®Power (Pro)
2.5. Обслуживание электродов
2.6. Хранение электродов
Кратковременное хранение
Длительное хранение
Датчики температуры
2.7. Очистка электродов
Загрязнение сульфидом серебра (Ag2S)
Загрязнение хлоридом серебра (AgCl)
Загрязнение белками
Прочие загрязнения мембран
2.8. Восстановление и срок эксплуатации электрода
2.9. Дополнительная информация
3. Возможные ошибки при измерении pH и способы их устранения
Проблемы, возникающие при измерениях рН, могут быть вызваны разными причинами, начиная от прибора, кабеля и электрода и заканчивая буферными растворами, температурой измерения и образцом (областью применения). Особое внимание следует уделять признакам проблемы, поскольку они помогают определить ее источник. В следующей таблице приведен обзор признаков отклонений и их причин:
Показания слишком высокие или низкие или выходят за пределы шкалы
- Проверьте прибор, кабель, электрод, процедуру калибровки и температуру образца
Значение не меняется
- Проверьте прибор, кабель и электрод
Большое время отклика
- Проверьте электрод, образец и метод
Большое смещение после калибровки
- Проверьте электрод, буферные растворы и процедуру калибровки
Малая крутизна после калибровки
- Проверьте электрод, буферные растворы и процедуру калибровки
Ошибка калибровки
- Проверьте прибор, электрод, буферные растворы и процедуру калибровки
Плавающие значения измерений
- Проверьте электрод, образец и метод
... узнайте больше в руководстве по измерению pH ....
3.1. Проверка прибора и кабеля
3.2. Проверка температуры образца и метода
3.3. Проверка буферных растворов и процедуры калибровки
Рекомендации по применению буферных растворов
3.4. Проверка электрода
4. Основные принципы измерения pH
В предыдущих разделах были рассмотрены практические аспекты измерений рН. Данная глава посвящена теоретическим основам измерения рН и предназначена для читателей, которые хотят
глубже изучить теорию рН.
Сначала указаны основные принципы определения рН, затем рассматривается теория работы датчиков, а в заключение приведены некоторые частные случаи.
4.1. Определение значения pH
Согласно определению, предложенному Сёренсеном, pH — это отрицательный логарифм концентрации ионов H3O+:
pH = –log [H3O+]
Из уравнения видно, что если концентрация ионов H3O+ изменится на десять единиц, то величина pH изменится на одну единицу. Поэтому очень важно фиксировать даже небольшие изменения в значении рН образца.
Часто значение рН выражают через ионы H+, хотя правильнее использовать ионы гидроксония (официальное название в соответствии с ИЮПАК — оксоний) (H3O+):
H+ + H2O ↔ H3O+
Не только кислоты и основания диссоциируют с образованием ионов гидроксония или гидроксильных ионов, то же самое справедливо для чистой воды:
2 H2O ↔ H3O+ + OH–
... узнайте больше в руководстве по измерению pH ....
4.1. Определение значения pH
4.2. Корреляция концентрации и активности
4.3. Буферные растворы
Буферная емкость (ß)
Величина разбавления (ΔpH)
Влияние температуры (ΔpH/ΔT)
4.4. Измерительная цепь в установке для измерения pH
pH-электрод
Электрод сравнения
4.5. Калибровка и регулировка установки для измерения pH
4.6. Влияние температуры на измерения pH
Температурная зависимость электрода
Пересечение изотерм
Другие температурные явления
Температурная зависимость анализируемого образца
4.7. Явления в специальных измерительных растворах
Щелочная ошибка
Кислотная ошибка
Реакции с эталонным электролитом
Органические среды
