princíp ph meter

- May 28, 2019-

histórie
História elektrického merania kyslosti tekutín sa začala v roku 1906, keď Max Cremer vo svojich štúdiách tekutinových rozhraní [1] (interakcie medzi kvapalinami a pevnými látkami) zistil, že rozhranie medzi tekutinami sa dá študovať vyfúknutím tenkej sklenenej bubliny a umiestnením jednej tekutina vo vnútri a iná vonkajšia. Vytvorilo to elektrický potenciál, ktorý bolo možné zmerať.

Túto myšlienku ďalej vzali Fritz Haber (ktorý vynašiel syntézu amoniaku a umelých hnojív) a Zygmunt Klemsiewicz [2], ktorí zistili, že sklenená žiarovka (ktorú nazval sklenenou elektródou ) by sa mohla použiť na meranie aktivity vodíkových iónov a že toto nasledovalo logaritmická funkcia.

V roku 1909 dánsky biochemik Soren Sorensen vynašiel stupnicu pH.

Pretože odpor v stene skla je veľmi vysoký, zvyčajne medzi 10 a 100 Mega-Ohm, nebolo možné presne zmerať napätie sklenenej elektródy, kým sa nevymysleli elektrónky. Ešte neskôr vynález transistorov s poľným efektom (FET) a integrovaných obvodov (IC) s kompenzáciou teploty umožnil presné meranie napätia sklenenej elektródy. Napätie produkované jednou jednotkou pH (napríklad od pH = 7,00 do 8,00) je typicky okolo 60 mV (mili-volt). Súčasné pH metre obsahujú mikroprocesory, ktoré vykonávajú potrebné korekcie teploty a kalibrácie. Napriek tomu moderné pH metre stále trpia driftom (pomalými zmenami), čo si vyžaduje častú kalibráciu.

Zlepšenie sa dosiahlo aj v chémii skla tak, aby sa mohlo zastaviť znečistenie soľnými a halogénovými iónmi. Referenčná elektróda, ktorá tradične používa chlorid strieborný (AgCl), bola nahradená elektródou kalomel (chlorid ortuťnatý, HgCl2), ktorá používa chlorid ortuťnatý (HgCl) v roztoku chloridu draselného (KCl) ako gél (ako želatína). Elektródy však nemajú večnú životnosť a je potrebné ich vymeniť, keď sa neprijateľne unášajú alebo trvá neobvykle dlho, kým sa usadia.

[1] Cremer M (1906): Z. Biol, 47, 562
[2] Haber F a Z Klemensiewicz (1909): Z. Physik. Chem., 67, 385


Ako pH meter funguje
Keď sa jeden kov dostane do kontaktu s iným, dôjde k rozdielom napätia kvôli ich rozdielom v pohyblivosti elektrónov. Keď sa kov dostane do styku s roztokom solí alebo kyselín, vznikne podobný elektrický potenciál, čo viedlo k vynálezu batérií. Podobne sa vyvíja elektrický potenciál, keď sa jedna tekutina dostane do kontaktu s inou, ale na udržanie týchto tekutín je potrebná membrána.

PH meter meria v podstate elektrochemický potenciál medzi známou tekutinou vo vnútri sklenenej elektródy (membrány) a neznámou tekutinou vonku. Pretože tenká sklenená žiarovka umožňuje interakciu hlavne agilných a malých vodíkových iónov so sklom, sklenená elektróda meria elektrochemický potenciál vodíkových iónov alebo potenciál vodíka . Na dokončenie elektrického obvodu je tiež potrebná referenčná elektróda. Upozorňujeme, že prístroj nemeria prúd, ale iba elektrické napätie, napriek tomu je potrebný malý únik iónov z referenčnej elektródy, ktorý tvorí vodivý mostík k sklenenej elektróde. PH meter sa preto nesmie používať v pohybujúcich sa tekutinách s nízkou vodivosťou (preto je výhodné merať vo vnútri malých nádob).
 

Schematické pH elektródy PH meter meria elektrický potenciál (postupujte podľa hodinových ručičiek od merača) medzi chloridom ortutnatej referenčnej elektródy a jej tekutinou chloridu draselného, ​​neznámou tekutinou, roztokom vo vnútri sklenenej elektródy a potenciálom medzi týmto roztokom a strieborná elektróda. Avšak zo vzorky na vzorku sa mení iba potenciál medzi neznámou tekutinou a roztokom vo vnútri sklenenej elektródy. Takže všetky ostatné potenciály môžu byť kalibrované z rovnice.

Referenčná elektróda kalomelu sa skladá zo sklenenej trubice s elektrolytom chloridu draselného (KCl), ktorý je v tesnom kontakte s prvkom chloridu ortutnatého na konci prvku KCL. Je to krehká konštrukcia, ktorá je spojená špičkou tekutého spoja z poréznej keramiky alebo podobného materiálu. Tento druh elektródy nie je ľahko „otrávený“ ťažkými kovmi a sodíkom.
Sklenená elektróda pozostáva z robustnej sklenenej trubice s navarenou tenkou sklenenou žiarovkou. Vo vnútri je známy roztok chloridu draselného (KCl) pufrovaný na pH 7,0. Strieborná elektróda so špičkou chloridu strieborného vytvára kontakt s vnútorným roztokom. Aby sa minimalizovalo elektronické rušenie, sonda je tienená fóliovým štítom, ktorý sa často nachádza vo vnútri sklenenej elektródy.
Väčšina moderných pH metrov má tiež termistorovú teplotnú sondu, ktorá umožňuje automatickú korekciu teploty, pretože pH sa trochu mení s teplotou.
 

Voda je najdôležitejšou a zázračnou látkou na Zemi. Jeho molekuly HOH tvoria bumerangový tvar s O-koncom mierne negatívnym a H2 + koncom mierne kladne nabitým. Tieto nabité bumerangy sú navzájom priťahované a vytvárajú ostrovy súdržnosti, takže voda tvorí tekutinu pri teplotách, kde sa darí životu, zatiaľ čo by to mal byť skutočne veľmi prchavý plyn ako sírovodík (H2S), ktorý má takmer dvojnásobok svojej molekulovej hmotnosti. Na povrchu Zeme sa voda vyskytuje v tuhej forme (ľad), tekutine (voda) a plynnej forme (para alebo vodná para). V chladných oblastiach spolu existujú všetky tri fázy.
Voda je tiež jedinečná v tom, že je to kyselina (s iónmi H +) a lúh (s iónmi OH). Je teda súčasne kyslý aj zásaditý (zásaditý), čo spôsobuje, že je prísne neutrálny, pretože počet iónov H + sa rovná počtu OH-iónov. Kvôli svojej silnej kohézii len málo molekúl vody disociuje (štiepi) vo svojich podstatných iónoch: vodíkové ióny (H +) a hydroxylové ióny (OH-). Chemici budú trvať na tom, že ióny H + sú skutočne ióny H3O + alebo ióny hydrónia.

S vedomím, že jeden mol vody váži 18 gramov (1 + 1 + 16), čo sa rovná 18 ml a že toto množstvo obsahuje veľmi veľké množstvo molekúl [1], v jednom litri sa disociová iba 0,1 miliónta (10 - 7 ) mol. vody (pH = 7). [2]

Potenciálny rozdiel medzi vnútornou stranou sklenenej elektródy a vonkajšou stranou je spôsobený oxidmi kremíka na boku skla:
Si.O - + H3.O + = Si.OH + + H20

Akonáhle je vytvorená iónová rovnováha, je potenciálny rozdiel medzi sklenenou stenou a roztokom daný rovnicou:
E = R x T / ( F x ln ( a ))
Kde E = elektrónový potenciál (Volt), R = molárna plynová konštanta 8,314 J / mol / ° K, F = Faradayova konštanta 96485,3 ° C, T = teplota v ° Kelvine a a = aktivita vodíkových iónov (hydróniové ióny).
ln ( a ) = prirodzený logaritmus, ktorý sa konvertuje na desatinný logaritmus = 2,303 x log ( a )
Kombinácia R x T / ( 2,303 x F ) je približne 0,060 V (60 mV) na desaťnásobné zvýšenie vodíkových iónov alebo jednej jednotky pH.
Rozsah pH 0 až 14 predstavuje hydroniové aktivity od 10 do 1E-14 mol / liter. Jeden mol vody váži 18 gramov. Hodnota pH = 7 zodpovedá hydroniovej aktivite 1E-7 mol / liter (1E-7). Pretože log ( 10-7 ) = -7, pH stupnica opúšťa znamienko mínus.

Aj keď moderné sklenené elektródy pH zaznamenali zásadné zlepšenie, stále sa im nepáčia niektoré látky s nízkym obsahom iónov H +, ako sú hydroxidy alkalických kovov (NaOH a KOH), čistá destilovaná voda, leptacie látky ako fluorid, adsorbujúce látky ako ťažké kovy a proteíny.

Väčšina moderných pH metrov má zabudované teplotné senzory, ktoré automaticky korigujú odchýlku teploty, aby poskytovali hodnoty, akoby boli namerané pri štandardnej teplote 25 ° C. Hodnota nie je ovplyvnená teplotou pri pH = 7,00, ale mimo nej 0,003 na ºC. Teda pH odobraté pri 5 ° C (20 ° od 25 ° C), ktoré ukazuje 4,00, sa musí korigovať smerom nadol o 0,003 x 20 x 3,00 = 0,18. Podobne musí byť o toto množstvo upravená hodnota pH 10,00.

Starostlivosť o pH meter závisí od typu použitej elektródy. Preštudujte si odporúčania výrobcu. Pri častom používaní je lepšie udržiavať elektródu vlhkú, pretože zvlhčenie suchej elektródy trvá dlho a je sprevádzané driftom signálu. Moderným pH metrom však nevadí vysúšanie elektród za predpokladu, že boli dôkladne opláchnuté vodovodnou vodou alebo chloridom draselným. Pri expedícii, pri meraní morskej vody, môže pH meter zostať vlhký morskou vodou. Po dlhšiu dobu sa však odporúča navlhčiť roztokom chloridu draselného pri pH = 4 alebo v kyslom kalibračnom tlmivom roztoku s pH = 4,01. pH metre neradi nechávajú v destilovanej vode.
Je potrebné si uvedomiť, že pH sonda udržiavaná vlhká v kyslom roztoku môže ovplyvniť výsledky, ak sa nevypláchne pred vložením do testovacej liekovky. Pamätajte, že kvapalina s pH = 4 má o 10 000 viac iónov vodíka ako kvapalina s pH = 8. Jedna kvapka pH = 4 v injekčnej liekovke merajúca 400 kvapiek pH = 8 skutočne rozrušuje merania! Nezabudnite tiež, že kalibračné roztoky pozostávajú z chemických tlmivých roztokov, ktoré sa „snažia“ udržiavať konštantné hodnoty pH, takže kontaminácia testovacej liekovky tlmivým roztokom je skutočne vážna.

[1] Konštanta spoločnosti Avogadro je 602 213 670 000 000 000 000 000 000 (602 214 miliárd biliónov) alebo 6,02 E23 pomenovaná na počesť Amedea Avogadra. Jeden mól chemickej látky obsahuje tento počet molekúl. Amedeo Avogadro (1776 - 1856) bol taliansky fyzik. V roku 1811 navrhol svoju slávnu hypotézu, ktorá sa teraz nazýva Avogadrov zákon. Zákon uviedol, že rovnaké objemy všetkých plynov pri rovnakej teplote a tlaku obsahujú rovnaký počet molekúl. Avogadro tiež rozlišovalo medzi atómom a molekulou a umožnilo určiť správnu tabuľku atómových hmotností.
[2] Na webovej stránke Seafriends často používame exponenciálny zápis E, takže 2,34E-4 znamená 2,34 x 10-4 .


Stupnica pH
Hodnoty pH majú väčší význam v porovnaní s hodnotami známych látok. Všimnite si, že stupnica pH je logaritmická a že každá ďalšia hodnota obsahuje desaťkrát menej iónov vodíka. PH = 0 obsahuje najviac a je vysoko kyslé.
0 5% kyselina sírová, H2SO4, kyselina batéria.
1 0,1 N HCI, kyselina chlorovodíková (1.1)
2 Citrónová šťava. Ocot (2.4-3.4)
3 víno (3.5-3.7)
4 Pomarančový džús. Jablečná šťava (3.8). Beer. Paradajky.
5 Tvaroh. Čierna káva. Dažďová voda 5.6.
6 Milk. Ryby (6,7 - 7). kurča (6,4 - 6,6).
7 Neutrálny: rovnaký počet iónov vodíka a hydroxylových iónov. Krv (7,3 - 7,4). Destilovaná voda bez CO2 po varení.
8 Morská voda (8.1). Bielok.
9 Borax. prášok na pečenie.
10 Mlieko horečnaté, hydroxid horečnatý, Mg (OH) 2.
11 Amoniak pre domácnosť
12 Fotografický vývojár, domáce bielidlo
13 Čistič rúry
14 Hydroxid sodný sodný, 1 mol / liter.