pH計的原理介紹

發(fā)布時間：2021-05-25瀏覽次數(shù)：1467返回列表

pH計，是指用來測定溶液酸堿度值的儀器。pH計是利用原電池的原理工作的，原電池的兩個電極間的電動勢依據(jù)能斯特定律，既與電極的自身屬性有關(guān)，還與溶液里的氫離子濃度有關(guān)。原電池的電動勢和氫離子濃度之間存在對應(yīng)關(guān)系，氫離子濃度的負(fù)對數(shù)即為pH值。pH計是一種常見的分析儀器，廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、環(huán)保和工業(yè)等領(lǐng)域。土壤pH值是土壤重要的基本性質(zhì)之一。在pH測定過程中應(yīng)考慮待測溶液溫度及離子強(qiáng)度等因素。

原理
"pH"中的"p"來自德語Potenz，意思是濃度，H(hydrogenion)代表氫離子，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，在與水分子水合作用以前，氫核不是以自由態(tài)存在。

2H?O≒H?O? + OH?，由于水合氫離子(H3O)的濃度是與氫離子(H)濃度等同看待，上式可以簡化成下述常用的形式:

H?O≒H? + OH?

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:

K=H3O×OH----H2O

由于水只有極少量被離解，因此水的質(zhì)量摩爾濃度實(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]=10·10=10mol/L(25℃)

也就是說對于一升純水在25℃時存在10摩爾H3O離子和10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10mol/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，如果使OHˉ離子游離，那么溶液就是堿性的。所以，給出H值就足以表示溶液的特性，呈酸性還是堿性，為了免于用此分子濃度負(fù)冪指數(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pH=-lg[H]。

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。現(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)由二個半電池構(gòu)成，其中一個半電池稱作指示電極，它的電位與特定的離子活度有關(guān)，如H;另一個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，這一過程會達(dá)到一個平衡。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電極。

此電位的測量是相對一個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陰離子的電解質(zhì)溶液中。此時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℃相當(dāng)于273.15+20=293.15開爾文)

F-法拉第常數(shù)(96493庫化/當(dāng)量)

n-被測離子的化合價(銀=1，氫=1)

ln(aMe)-離子活度aMe的對數(shù)

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。其中氫電極作為參比電極在實(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。

pH指示電極是玻璃電極。它是一支端部吹成泡狀的對于pH敏感的玻璃膜的玻璃。管內(nèi)充填有含飽和AgCl的3mol/l kcl緩沖溶液，pH值為7。存在于玻璃膜二面的反映pH值的電位差用Ag/AgCl傳導(dǎo)系統(tǒng)，

如第二電極，導(dǎo)出。pH復(fù)合電極和pH固態(tài)電極，

此電位差遵循能斯特公式:

將E0、R、T(298.15K即25℃)等數(shù)值代入上式既得:

E=59.16mv/25℃ per pH (式中已將ln[H3O]轉(zhuǎn)化為pH)

式中R和F為常數(shù)，n為化合價，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>8或6的應(yīng)用場合則必須對溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

工業(yè)pH計，是一種工業(yè)儀器設(shè)備，主要用來測量液體介質(zhì)的酸堿度值。以及安裝、清洗、抗干擾等等問題的考慮

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