Прилади для вимірювання концентрації іонів водню

Потенціометричний метод вимірювання рН заснований на вимірюванні електричного потенціалу при розміщенні спеціальної електродної системи в аналізованому розчині. ЕРС електродної системи пов’язана з активністю іонів води в розчині та температурою.

Молекула води є досить хімічною сполукою. її дисоціація на іони гідрогену і гідроксиду порівняно з концентрацією її недисоційованих молекул настільки мала, що коефіцієнт дисоціації К_н2о=1,0 10^-4 при температурі 22^РС.

Для зручності вираження концентрації іонів водню датський хімік Зеренс ввів поняття рН (р — початкова буква датського слова міра (ступінь) рН — гідроген). Відповідно до цього водневий показник рН — десятинний логарифм концентрації іонів гідрогену з від’ємним знаком: pОН=-lg[H+]; аналогічно для іонів гідроксиду; pOH=-lg[H-].

Для чистої води за температурою 22°С рН = 7. Для нейтрального середовища значення рН дорівнює 7, кислого — менше 7, лужного — понад 7. Для дуже кислих середовищ рН менше нуля (-1 -2) і для лужних більше 14(15+16).

Електродна система (рис. 1) складається з двох електродів: вимірювального, потенціал якого залежить від активності (концентрації) іонів гідрогену в розчині, і порівняльного (допоміжного), потенціал якого під час вимірювання залишається сталим і вміщується він у насичений, розчин хлористого калію.

Рисунок 1 — Електродна система pH-метра

Найчастіше рН розчинів вимірюється електродами, виготовленими із спеціального скла з домішками одновалентних металів: літію, калію, натрію. Скляні електроди малоінерційні, мають стабільні характеристики. Корпус (2) каліброваної трубки, виготовленої із спеціального скла. Мембрана може мати будь-яку форму (кулі, конусу, площини) залежно від її призначення. Внутрішня частина електрода заповнена нормальним розчином соляної кислоти (3) з невеликою кількістю кристалів хлористого срібла. У розчині кислоти розміщений контактний електрод (4), який через пробку (5) і гумовий ковпачок (6) кабельним наконечником (7) підключається до вимірювального приладу ВП.

Порівняльним електродом може бути хлористо-срібний або ж каломельний електрод. Внутрішня частина хлористо-срібного електрода заповнена насиченим розчином хлористого калію. Контактний срібний електрод (8), покритий малорозчинною сіллю хлористого срібла, заведений у розчин, а другий його кінець через трубку (5) і гумовий ковпак (6) кабельним наконечником (7) підведений до вимірювального приладу ВП. Контакт вимірюваного розчину з розчином хлористого калію відбувається через пористу перегородку (9).

Взаємодія розчину з скляного поверхнею призводить до виникнення, різниці потенціалів Е_х, зумовленої активністю іонів водню в розчині:

E_x-Eo+(2,3RT/F)lg a_H,

де: Е_о — нормальний потенціал;

R — універсальна газова стала;

Т — температура;

F — число Фарадея;

а — активність водневих іонів у розчині.

Таким чином, вимірюючи потенціал скляного електрода можна знайти рН-розчин. Загальна НРС комірки дорівнює алгебраїчній сумі контактних ЕРС;

‘sum;E = E_k+E_вк+E_x+E_д+E_n

де: Ек — контактна ЕРС між електродом і розчином соляної кислоти;

Евк — контактна ЕРС внутрішньої поверхні скляного електрода;

Ед — дифузійний потенціал на межі контрольованого розчину і розчину КС1;

Ех — контактна ЕРС між скляним електродом і контрольованим розчином;

Еп — різниця потенціалів на межі срібний електрод — розчин КСІ.

Всі названі ЕРС, крім Е_х сталі, а сумарна ЕРС вимірювальної комірки пропорційна контактній ЕРС зовнішньої мембрани скляного електрода Ех. За принципом дії рН-метри поділяються на такі основні груші приладів: безпосереднього відліку, з статичною та антистатичною компенсаціями. Метод безпосереднього відліку використовується в лабораторних рН-метрах, точність вимірювання яких становить ± 0,05 рН. Компенсаційні схеми найчастіше використовуються в автоматичних рН-метрах з динамічною та статичною компенсаціями.

Промисловістю випускаються датчики заглибленого типу ДПг-4М та проточного типу ДМ-5М, із нержавіючої сталі X1810Т з скляними електродами типів ЕСП-01-14, ЕСТК-1М та порівняльними хлористо-срібними електродами; перетворювачі типу П-201, П-205, П-210,П-215 та рН-метри типів рН-201, рН-125 тощо.

Питання для самоконтролю

1. Класифікація методів для аналізу складу і властивостей речовин.
2. Основні терміни і визначення, класифікація методів і засобів для вимірювання густини.
3. Поплавкові густиноміри: типи, використання, будова і принцип роботи.
4. Гідростатичні густиноміри: типи, їх використання, будова і принцип роботи.
5. Основні терміни і визначення, класифікація методів і засобів вимірюваний в’язкості.
6. Капілярні віскозиметри: типи, їх використання, будова і принцип роботи.
7. Кулькові віскозиметри: типи, їх використання, будова і принцип роботи.
8. Ротаційні віскозиметри: типи, використання, будова і принцип роботи.
9. Потенціометричний метод аналізу рідин, теоретичні основи потенціометричного вимірювання.
10. Будова і принцип, роботи електродної системи для вимірювання рН.