pH-метр, кондуктометр, кислородомер, иономер

Электрохимия — это раздел науки, в котором изучаются химические реакции, протекающие в растворе и связанные с переносом электронов между электродом и электролитом. Электрохимические измерения включают определение следующих показателей:

• pH
• Электропроводность (проводимость)
• Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, редокс)
• Концентрация ионов (ИСЭ)
• Содержание растворенного кислорода (РК)

pH — это шкала, которую применяют для определения кислотности или щелочности водных растворов. Величина рН обусловлена концентрацией (точнее, активностью) ионов водорода. Растворы с рН ниже 7 являются кислыми (высокая концентрация ионов водорода), а растворы с рН выше 7 — щелочными (низкое содержание ионов водорода).

Измерение pH требуется для достижения следующих целей:

• Производство продукции с определенными свойствами
  
• Уменьшение себестоимости продукции;
  
• Обеспечение высокого качества продукции во избежание нанесения ущерба людям, имуществу и окружающей среде
  
• Выполнение нормативных требований
• Защита оборудования
  
• Получение информации для дальнейших исследований и разработок

pH-метры используются в различных сферах:

• Фармацевтика и биотехнологии
• Производство молочных продуктов
• Очистка почв и сточных вод
• Производство косметики
• Фильтрация воды
  
• Производство продуктов питания и напитков

Приборы для измерения pH используются не только в лабораторных условиях — их часто применяют в промышленных и полевых условиях (для измерения pH воды, сточных вод, почвы и т. д.).

Для измерения pH используются относительно несложные приборы, которые при правильном применении дают надежные результаты. Стандартный лабораторный прибор для измерения pH состоит из следующих компонентов:

• pH-метр: потенциометр, который измеряет разность напряжений между стеклянным электродом и электродом сравнения и вычисляет значение pH.
• Датчики: электрод сравнения и pH-электрод для замыкания контура. В современных приборах оба электрода помещаются в один корпус — это так называемые комбинированные pH-электроды.

Другие необходимые материалы:

• Калибровочные растворы: перед измерением рН образца для калибровки pH-электрода следует использовать не менее двух стандартных растворов с известными значениями рН.
• Образец: это анализируемый раствор, который должен быть водным или содержать количество воды, достаточное для измерения рН.

Да, pH и электропроводность связаны между собой, но эта связь не является линейной или абсолютной.
Датчик pH реагирует только на ионы H⁺ в растворе, в то время как датчики электропроводности измеряют активность всех заряженных ионов (анионов и катионов) в растворе. Чем выше концентрация ионов, тем выше электропроводность.

Кроме того, электропроводность зависит от подвижности ионов. Среди ионов, которые чаще всего присутствуют в растворах, наиболее подвижным катионом является ион водорода [H⁺] с показателем 350 единиц, а наиболее подвижным анионом — гидроксильный ион [OH^-] с показателем 199 единиц. Другие наиболее распространенные ионы имеют значения в диапазоне от 40 до 80 единиц. Это означает, что сильнокислые (или сильнощелочные) растворы будут обладать высокой электропроводностью. Поскольку pH отражает концентрацию ионов водорода, применяются следующие правила:

• В кислых растворах (pH < 7): чем ниже pH (то есть чем выше концентрация ионов H⁺), тем выше электропроводность.
  
• В щелочных растворах (pH > 7): чем выше pH (то есть чем выше концентрация ионов OH^-), тем выше электропроводность.
  
• Нейтральный pH (pH = 7) указывает на одинаковую концентрацию ионов H⁺ и OH^-. Но это не означает, что раствор не содержит другие ионы, которые могут влиять на его электропроводность.
  
  

Рассмотрим пример: деионизированная вода теоретически имеет pH 7,0 и электропроводность 0,055 мкСм/см. При добавлении в нее NaCl полученный раствор по-прежнему будет иметь нейтральный pH, однако его электропроводность может значительно увеличиться в зависимости от количества добавленной соли.

Таким образом, pH и электропроводность должны определяться отдельно для каждого образца и не могут быть теоретически сопоставлены друг с другом.

Измерения pH зависят от температуры образца. Важно помнить о следующих моментах:

a. Влияние температуры на крутизну характеристики электрода.
В pH-электроде возникает потенциал (мВ) между измерительным полуэлементом и полуэлементом сравнения. pH-метр рассчитывает значение pH на основе потенциала, используя температурный коэффициент по формуле –2,3 * R * T / F, где R — универсальная газовая постоянная; T — температура в градусах Кельвина; F — постоянная Фарадея. Для температуры 298 K (+25 °C) коэффициент равен –59,16 мВ/pH. Этот показатель называется теоретической крутизной характеристики электрода при опорной температуре (+25 °C). При различных температурах получаются следующие значения крутизны: –56,18 мВ/pH при +10 °C, –58,17 мВ/pH при +20 °C; –60,15 мВ/pH при +30 °C и т. д. Влияние температуры на измерение pH корректируется при помощи автоматической (ATC) и ручной температурной компенсации (MTC). По этим причинам важно знать температуру образца или использовать датчик температуры. Неправильно заданная температура приводит к погрешности в размере 0,12 единиц pH на каждые 5 °C.

b. Влияние температуры на значение pH образца.
Значение рН образца изменяется в зависимости от температуры. Данный эффект имеет химическую природу и для каждого типа образцов проявляется особым образом. Такое влияние нельзя компенсировать. В данном случае отображается только текущее значение pH при фактической температуре. Поэтому важно сравнивать только значения pH, которые были измерены при одинаковой температуре.

Исключение: в памяти прибора хранится информация о зависимости pH от температуры для многих буферных растворов, представленных на рынке. Это позволяет калибровать электрод при разной температуре, поскольку измеренные потенциалы будут автоматически отнесены к значениям +25 °C или +20 °C. Чтобы воспользоваться этой функцией, необходимо выбрать правильную группу буферных растворов и измерить температуру в процессе калибровки.

Измерение электропроводности в значительной степени зависит от температуры (отклонение составляет 2 % на 1 °C). Результаты можно сравнивать только в том случае, если температура всех образцов совпадает или значение отнесено к определенной опорной температуре.

В большинстве случаев используется линейная температурная компенсация. В качестве опорной температуры оператор может выбрать значение +20 °C или +25 °C. Разница между измеренной и опорной температурой затем умножается на коэффициент компенсации α (измеряется в %/°C), что позволяет скорректировать показатель электропроводности.

В соответствии с требованиями процедуры необходимо определить коэффициент линейной компенсации α для каждого образца. Хотя температурная зависимость считается линейной, в действительности этот «линейный» коэффициент зависит от концентрации ионов и температуры образца. По умолчанию коэффициент α равен 2,00 %/°C. Все pH-метры серий Five и Seven предусматривают возможность настройки коэффициента α в диапазоне от 0,00 %/°C (без температурной компенсации) до 10 %/°C.

В центре консультаций по анализу pH и техподдержки МЕТТЛЕР ТОЛЕДО (pH CSC) работает группа экспертов по прямому электрохимическому анализу. Специалисты тесно сотрудничают с клиентами, группами технической поддержки, управления и разработки продуктов. В рамках этой уникальной услуги они могут быстро дать рекомендации и предложить эффективные решения.

Данная услуга включает в себя следующие параметры измерений и соответствующее лабораторное оборудование МЕТТЛЕР ТОЛЕДО:

• pH
• Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, редокс)
• Концентрация ионов (ИСЭ)
• Электропроводность
• Содержание растворенного кислорода (РК)