Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

PH-метр Beckman Model M, 1937 г. [1]
PH-метр Beckman модель 72, 1960 г.
781 pH / Ion Meter pH-метр от Metrohm

РН - метр представляет собой научный прибор , который измеряет водородно-ионной активности в водных растворов , что указывает на его кислотность или щелочность выражается как рН . [2] pH-метр измеряет разность электрических потенциалов между pH-электродом и электродом сравнения, поэтому pH-метр иногда называют «потенциометрическим pH-метром». Разница в электрическом потенциале связана с кислотностью или pH раствора. [3] pH-метр используется во многих областях, от лабораторных экспериментов доконтроль качества . [4]

Приложения [ править ]

Скорость и результат химических реакций, происходящих в воде, часто зависят от кислотности воды, и поэтому полезно знать кислотность воды, обычно измеряемую с помощью pH-метра. [5] Знание pH полезно или важно во многих ситуациях, включая химические лабораторные анализы. pH-метры используются для измерения качества почвы в сельском хозяйстве , качества воды для городского водоснабжения , бассейнов , восстановления окружающей среды ; приготовление вина или пива; производство , здравоохранение и клинические приложения, такие как химия крови; и многие другие приложения. [4]

Достижения в области измерительных приборов и обнаружения расширили число приложений, в которых можно проводить измерения pH. Устройства уменьшены в размерах , что позволяет напрямую измерять pH внутри живых клеток . [6] Помимо измерения pH жидкостей, существуют специально разработанные электроды для измерения pH полутвердых веществ, таких как пищевые продукты. У них есть наконечники, подходящие для прокалывания полутвердых тел, материалы электродов, совместимые с ингредиентами пищевых продуктов, и их устойчивость к засорению. [7]

Дизайн и использование [ править ]

Использование первого pH-метра Beckman в лаборатории

Принцип работы [ править ]

Потенциометрические pH-метры измеряют напряжение между двумя электродами и отображают результат, преобразованный в соответствующее значение pH. Они состоят из простого электронного усилителя и пары электродов или, альтернативно, комбинированного электрода и некоторого вида дисплея, откалиброванного в единицах pH. Обычно он имеет стеклянный электрод и электрод сравнения или комбинированный электрод. Электроды или зонды вставляются в тестируемый раствор. [8]

Конструкция электродов является ключевой частью: это стержневые конструкции, обычно сделанные из стекла, с колбой, содержащей датчик в нижней части. Стеклянный электрод для измерения pH имеет стеклянную колбу, специально разработанную для селективности по концентрации ионов водорода. При погружении в тестируемый раствор ионы водорода в тестовом растворе обмениваются на другие положительно заряженные ионы на стеклянной колбе, создавая электрохимический потенциал на колбе. Электронный усилитель обнаруживает разность электрических потенциалов между двумя электродами, возникающую при измерении, и преобразует разность потенциалов в единицы pH. Величина электрохимического потенциала на стеклянной колбе линейно связана с pH в соответствии с уравнением Нернста .

Эталонный электрод не чувствителен к рН раствора, состоящую из металлического проводника, который соединяет к дисплею. Этот проводник погружается в раствор электролита, обычно хлорида калия, который контактирует с исследуемым раствором через пористую керамическую мембрану. [9] Дисплей состоит из вольтметра , который отображает напряжение в единицах pH. [9]

При погружении стеклянного электрода и электрода сравнения в тестовый раствор замыкается электрическая цепь , в которой создается и регистрируется вольтметром разность потенциалов. Цепь можно представить как переход от проводящего элемента электрода сравнения к окружающему раствору хлористого калия, через керамическую мембрану к испытательному раствору, селективному по ионосам водородному стеклу стеклянного электрода к раствору внутри электрода. стеклянный электрод, серебро стеклянного электрода и, наконец, вольтметр устройства отображения. [9]Напряжение варьируется от испытательного раствора к испытательному раствору в зависимости от разности потенциалов, создаваемой разницей концентраций ионов водорода на каждой стороне стеклянной мембраны между испытательным раствором и раствором внутри стеклянного электрода. Все остальные разности потенциалов в цепи не зависят от pH и корректируются посредством калибровки. [9]

Для простоты многие pH-метры используют комбинированный зонд, состоящий из стеклянного электрода и электрода сравнения, содержащихся в одном зонде. Подробное описание комбинированных электродов приведено в статье о стеклянных электродах . [10]

PH-метр калибруется с помощью растворов с известным pH, как правило, перед каждым использованием, чтобы обеспечить точность измерения. [11] Для измерения pH раствора электроды используются в качестве зондов, которые погружаются в тестовые растворы и удерживаются там достаточно долго, чтобы ионы водорода в тестовом растворе уравновесились с ионами на поверхности колбы на стеклянный электрод. Это уравновешивание обеспечивает стабильное измерение pH. [12]

Конструкция pH-электрода и электрода сравнения [ править ]

Детали изготовления и полученная микроструктура стеклянной мембраны pH-электрода хранятся производителями как коммерческая тайна . [13] : 125 Однако некоторые аспекты дизайна опубликованы. Стекло - это твердый электролит, в котором ионы щелочных металлов могут проводить ток. PH-чувствительная стеклянная мембрана обычно имеет сферическую форму для упрощения изготовления однородной мембраны. Эти мембраны имеют толщину до 0,4 миллиметра, что толще, чем у оригинальных конструкций, что обеспечивает долговечность зондов. Стекло имеет силикатную химическую функциональность на своей поверхности, которая обеспечивает участки связывания для ионов щелочных металлов и ионов водорода из растворов. Это обеспечивает ионообменную емкость в диапазоне 10От -6 до 10 -8  моль / см 2 . Селективность для ионов водорода (H + ) возникает из баланса ионного заряда, требований к объему по сравнению с другими ионами и координационного числа других ионов. Производители электродов разработали составы, которые уравновешивают эти факторы, в первую очередь литиевое стекло. [13] : 113–139

Электрода из хлорида серебра наиболее часто используется в качестве электрода сравнения в рН - метров, хотя некоторые конструкции используют насыщенный каломельный электрод . Электрод из хлористого серебра прост в изготовлении и обеспечивает высокую воспроизводимость . Электрод сравнения обычно состоит из платиновой проволоки, контактирующей со смесью серебра и хлорида серебра, которая погружена в раствор хлорида калия. Имеется керамическая пробка, которая служит контактом с исследуемым раствором, обеспечивая низкое сопротивление и предотвращая смешивание двух растворов. [13] : 76–91

С этими конструкциями электродов вольтметр обнаруживает разность потенциалов ± 1400 милливольт. [14] Электроды дополнительно разработаны для быстрого уравновешивания с тестовыми растворами, чтобы облегчить использование . Время уравновешивания обычно составляет менее одной секунды, хотя время уравновешивания увеличивается с возрастом электродов. [13] : 164

Техническое обслуживание [ править ]

Из-за чувствительности электродов к загрязнениям чистота датчиков имеет важное значение для точности и точности . Зонды обычно сохраняются влажными, когда они не используются, со средой, подходящей для конкретного зонда, которая обычно представляет собой водный раствор, доступный у производителей зондов. [11] [15] Производители датчиков предоставляют инструкции по очистке и техническому обслуживанию своих датчиков. [11]Для иллюстрации один производитель лабораторного pH дает инструкции по очистке от конкретных загрязнений: общая очистка (15-минутное замачивание в растворе отбеливателя и моющего средства), соль (раствор соляной кислоты, затем гидроксид натрия и вода), жир (моющее средство или метанол), засорение контрольного спая (раствор KCl), белковые отложения (пепсин и HCl, 1% раствор) и пузырьки воздуха. [15] [16]

Калибровка и работа [ править ]

5,739 pH / ион при температуре 23 ° C показано на фото. pH-метр pH 7110 производства inoLab

Немецкий институт по стандартизации публикует стандарт для измерения рН с помощью рН - метры, DIN 19263. [17]

Очень точные измерения требуют калибровки pH-метра перед каждым измерением. Обычно калибровка выполняется один раз в день работы. Калибровка необходима, потому что стеклянный электрод не дает воспроизводимых электростатических потенциалов в течение более длительных периодов времени. [13] : 238–239

В соответствии с принципами надлежащей лабораторной практики , калибровка выполняется по крайней мере с двумя стандартными буферными растворами, которые охватывают диапазон значений pH, которые необходимо измерить. Для общих целей подходят буферы с pH 4,00 и pH 10,00. Измеритель pH имеет один элемент управления калибровкой, чтобы установить показания измерителя, равные значению первого стандартного буфера, и второй элемент управления, чтобы настроить показания измерителя на значение второго буфера. Третий элемент управления позволяет устанавливать температуру. Стандартные буферные пакеты, доступные от различных поставщиков, обычно документируют температурную зависимость.управления буфером. Для более точных измерений иногда требуется калибровка при трех различных значениях pH. Некоторые pH-метры имеют встроенную коррекцию температурного коэффициента с помощью термопар в электродных датчиках. В процессе калибровки напряжение, создаваемое зондом (приблизительно 0,06 В на единицу pH), коррелирует со шкалой pH. Надлежащая лабораторная практика требует, чтобы после каждого измерения зонды промывались дистиллированной водой или деионизированной водой для удаления любых следов измеряемого раствора, промокались салфеткой для научных исследований, чтобы впитать оставшуюся воду, которая может разбавить образец и, таким образом, изменить считывания, а затем погружают в раствор для хранения, подходящий для конкретного типа зонда. [18]

Типы pH-метров [ править ]

Простой pH-метр
PH- метр почвы

Измерители pH варьируются от простых и недорогих устройств, похожих на ручки, до сложных и дорогих лабораторных приборов с компьютерными интерфейсами и несколькими входами для измерения показателей и температуры, которые необходимо вводить для корректировки изменения pH, вызванного температурой. Выход может быть цифровым или аналоговым, устройства могут работать от батарей или от сети . Некоторые версии используют телеметрию для подключения электродов к устройству отображения вольтметра. [13] : 197–215

Доступны специальные измерители и зонды для использования в особых условиях, например в суровых условиях [19] и биологических микросредах. [6] Существуют также голографические датчики pH, которые позволяют измерять pH колориметрически , используя различные доступные индикаторы pH . [20] Кроме того, существуют коммерчески доступные измерители pH на основе твердотельных электродов , а не обычных стеклянных электродов. [21]

История [ править ]

«Вот новый карманный pH-метр Beckman», 1956 г.

Концепция pH была определена в 1909 году SPL Sørensen , а электроды использовались для измерения pH в 1920-х годах. [22]

В октябре 1934 года Арнольд Орвилл Бекман зарегистрировал первый патент на полный химический прибор для измерения pH, патент США № 2,058,761, на свой «ацидиметр», позже переименованный в pH-метр. Бекман разработал прототип в качестве доцента химии в Калифорнийском технологическом институте , когда его попросили разработать быстрый и точный метод измерения кислотности лимонного сока для California Fruit Growers Exchange ( Sunkist ). [23] : 131–135

8 апреля 1935 года переименованная Бекманом Национальная техническая лаборатория сосредоточилась на производстве научных инструментов, а компания Arthur H. Thomas Company выступила в качестве дистрибьютора ее pH-метра. [23] : 131–135 За первый полный год продаж, 1936 г., компания продала 444 pH-метра за 60 000 долларов. [24] В ближайшие годы компания продала миллионы единиц. [25] [26] В 2004 году pH-метр Beckman был удостоен награды ACS National Historic Chemical Landmark в знак признания его значимости как первого коммерчески успешного электронного pH-метра. [24]

Радиометр Corporation Дании была основана в 1935 году и начал продавать рН - метр для медицинского применения около 1936 года, но «развитие автоматических рН-метров для промышленных целей было пренебречь. Вместо того, чтобы американские производители инструмента успешно разработаны промышленные рН-метры с широким множество применений, например, на пивоваренных заводах, бумажных заводах, квасцах и в системах очистки воды ». [22]

Beckman продавал портативный «карманный pH-метр» еще в 1956 году, но у него не было цифрового считывающего устройства. [27] В 1970-х годах компания Jenco Electronics из Тайваня разработала и изготовила первый портативный цифровой pH-метр. Этот измеритель продавался под лейблом Cole-Parmer Corporation . [28]

Создание pH-метра [ править ]

Для электродов требуется специализированное производство, а детали их конструкции и конструкции обычно являются коммерческой тайной. [13] : 125 Однако при покупке подходящих электродов стандартный мультиметр можно использовать для завершения конструкции pH-метра. [29] Однако коммерческие поставщики предлагают вольтметры, которые упрощают использование, включая калибровку и температурную компенсацию. [7]

См. Также [ править ]

  • Ионоселективные электроды
  • PH-электрод ISFET
  • Потенциометрия
  • Хингидроновый электрод
  • Насыщенный каломельный электрод
  • Хлорсеребряный электрод
  • Стандартный водородный электрод

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Основные этапы развития продукта Beckman Coulter" (PDF) . Бекман Коултер . Проверено 5 апреля 2017 года .
  2. ^ "pH-метр" . Энциклопедия Britannica Online . 2016 . Проверено 10 марта 2016 .
  3. ^ Оксфордский словарь биохимии и молекулярной биологии (2-е изд.), Изд. Ричард Каммак, Тереза ​​Этвуд, Питер Кэмпбелл, Ховард Пэриш, Энтони Смит, Фрэнк Велла и Джон Стирлинг, Oxford University Press 2006, ISBN 9780198529170 
  4. ^ a b «Измерение и значение pH» . Глобальная вода . Ксилем, Inc . Проверено 21 марта 2017 года .
  5. ^ Белл, Рональд Перси. «Кислотно-основная реакция» . Британская энциклопедия . Encyclopaedia Britannica, Inc . Проверено 21 марта 2017 года .
  6. ^ а б Луазель, ФБ; Кейси, младший (2010). Измерение внутриклеточного pH . Методы молекулярной биологии. 637 . С. 311–31. DOI : 10.1007 / 978-1-60761-700-6_17 . ISBN 978-1-60761-699-3. PMID  20419443 .
  7. ^ a b «Справочник по измерению pH» (PDF) . PragoLab . Thermo Scientific, Inc . Проверено 22 марта 2017 года .
  8. Перейти ↑ Riddle, Peter (2013). «pH-метры и их электроды: калибровка, обслуживание и использование». Биомедицинский ученый . Апрель: 202–205.
  9. ^ a b c d Антони, Дж. Флор. «Принципы pH-метра» . seafriends.org . Морской заповедник и образовательный центр Seafriends . Проверено 28 марта 2017 года .
  10. ^ Vanýsek, Петр (2004). "Стеклянный pH-электрод" (PDF) . Интерфейс (Лето). Электрохимическое общество. С. 19–20 . Проверено 3 апреля 2017 года .
  11. ^ a b c Bitesize Bio: How to Care for your pH Meter , Штеффи Магуб, 18 мая 2012 г.
  12. ^ "Теория и практика измерения pH" (PDF) . Emerson Process Management . Декабрь 2010 г.
  13. ^ a b c d e f g Галстер, Хельмут (1991). Измерение pH: основы, методы, применение, приборы . Вайнхайм: ISBN VCH Publishers, Inc. 978-3-527-28237-1.
  14. ^ Ltd, WG Pye and Co (1962). «Потенциометрический pH-метр». Журнал научных инструментов . 39 (6): 323. DOI : 10,1088 / 0950-7671 / 39 / 6/442 .
  15. ^ a b Лаборатория MRC: Как хранить, очищать и восстанавливать pH-электроды .
  16. ^ Очистка электродов .
  17. ^ «Измерение pH - цепи измерения pH» . Беут издательство ДИН . Beuth Verlag GmbH . Проверено 28 марта 2017 года .
  18. ^ «Как выполнить калибровку pH-метра» . all-about-pH.com . Дата обращения 14 декабря 2016 .
  19. ^ Олсон, Викки (2015-04-15). «Как выбрать датчик pH для агрессивных технологических сред» . Automation.isa.org . Международное общество автоматизации . Проверено 31 марта 2017 года .
  20. ^ АК Йетисен; H Butt; Ф да Крус Васконселлос; Y Montelongo; КАБ Дэвидсон; Дж. Блит; Дж. Б. Кармоди; S Vignolini; У Штайнера; JJ Baumberg; Т. Д. Уилкинсон; CR Лоу (2013). "Светонаправленная запись химически настраиваемых узкополосных голографических датчиков" . Современные оптические материалы . 2 (3): 250. DOI : 10.1002 / adom.201300375 .
  21. ^ "pH-электрод" . pH-meter.info . Проверено 30 марта 2017 года .
  22. ^ a b Трэвис, Энтони С .; Schröter, HG; Homburg, E .; Моррис, PJT (1998). Детерминанты развития европейской химической промышленности: 1900-1939: новые технологии, политические рамки, рынки и компании . Дордрехт: Kluwer Acad. Publ. п. 332. ISBN. 978-0-7923-4890-0. Дата обращения 29 мая 2015 .
  23. ^ Б Арнольд Thackray & Minor Майерс-младший (2000). Арнольд О. Бекман: ​​сто лет мастерства . предисловие Джеймса Д. Уотсона. Филадельфия, Пенсильвания: Фонд химического наследия. ISBN 978-0-941901-23-9.
  24. ^ a b «Разработка pH-метра Бекмана» . Национальные исторические химические достопримечательности . Американское химическое общество . Проверено 25 марта 2013 года .
  25. ↑ Лютер, Клаудия (19 мая 2004 г.). «Арнольд О. Бекман, 104» . Новости Чикаго Трибьюн . Проверено 8 марта 2014 года .
  26. ^ Jaehnig, Кентон Г. Поиск помощи исторической коллекции Бекмана 1911-2011 (Bulk 1935-2004 ) . Институт истории науки . Институт истории науки . Проверено 30 октября 2015 года . Щелкните «Beckman Historical Collection Finding Aid», чтобы перейти к документу полностью.
  27. ^ «Вот новый карманный pH-метр Beckman» . Институт истории науки . 1956 . Дата обращения 6 августа 2019 .
  28. ^ Буйе, Джон. «Эволюция pH-метра» . Заведующий лабораторией . Проверено 7 октября 2010 года .
  29. ^ "Построение простейшего возможного pH-метра" . 66pacific.com . Проверено 29 марта 2017 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Введение в измерение pH - Обзор измерения pH и pH на веб-сайте Omega Engineering
  • Разработка pH-метра Бекмана - национальной исторической достопримечательности Американского химического общества
  • Справочник по измерению pH - издание Thermo-Scientific Co.