WikiDer > PH метр

PH meter

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

А pH метр это научный инструмент это измеряет водород-ион Мероприятия в растворы на водной основе, указывая кислотность или щелочность выраженный как pH.[2] PH-метр измеряет разницу в электрический потенциал 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 приложениях, начиная от лабораторные эксперименты к контроль качества.[4]

Приложения

Скорость и результат химических реакций, протекающих 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, в том числе химическая лаборатория анализы. pH-метры используются для почва измерения в сельское хозяйство, качество воды для муниципальная вода принадлежности бассейны, восстановление окружающей среды; пивоварение вина или пива; производство, здравоохранение и клинические приложения, такие как химия крови; и многие другие приложения.[4]

Достижения в приборостроении и в обнаружение расширили количество приложений, в которых можно проводить измерения pH. Устройства были миниатюрный, что позволяет напрямую измерять pH внутри живые клетки.[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

Использование pH-метра Beckman в лаборатории

Принцип действия

Потенциометрический Измерители pH 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 это 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 Уравнение Нернста.

В электрод сравнения нечувствителен к pH раствора, так как состоит из металлического проводника, который подключается к дисплею. Этот проводник погружается в раствор электролита, обычно хлорида калия, который контактирует с исследуемым раствором через пористую керамическую мембрану.[9] Дисплей состоит из вольтметр, который отображает напряжение в единицах pH.[9]

При погружении стеклянного электрода и электрода сравнения в исследуемый раствор электрическая цепь завершена, 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 изменяется от испытательного раствора к испытательному раствору в зависимости от разности потенциалов, создаваемой разницей в концентрациях 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 на стеклянные электроды.[10]

Измеритель pH откалиброванный растворами с известным pH, как правило, перед каждым использованием, чтобы гарантировать 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 уравновешивать с ионы на поверхности колбы на стеклянном электроде. Это уравновешивание обеспечивает стабильное измерение pH.[12]

Конструкция pH-электрода и электрода сравнения

Детали изготовления и полученная микроструктура стеклянной мембраны pH-электрода сохранены как коммерческие секреты производителями.[13]:125 Однако некоторые аспекты дизайна опубликованы. Стекло - это твердый электролит, в котором ионы щелочных металлов могут проводить ток. Стеклянная мембрана, чувствительная к pH, обычно имеет сферическую форму, чтобы упростить изготовление однородной мембраны. Эти мембраны имеют толщину до 0,4 миллиметра, что толще, чем у оригинальных конструкций, что обеспечивает долговечность зондов. Стекло имеет силикат химическая функциональность на его поверхности, что обеспечивает участки связывания для ионов щелочных металлов и ионов водорода из растворов. Это обеспечивает ионообменную емкость в диапазоне 10−6 до 10−8 моль / см2. Селективность по ионам 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

В хлорсеребряный электрод чаще всего используется как электрод сравнения в pH-метрах, хотя в некоторых конструкциях используется 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 предназначены для быстрого уравновешивания с тестовыми растворами, чтобы облегчить простота использования. Время уравновешивания обычно составляет менее одной секунды, хотя время уравновешивания увеличивается с возрастом электродов.[13]:164

Обслуживание

Из-за чувствительности электродов к загрязнениям чистота датчиков имеет важное значение для тщательность и точность. 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 зондов предоставляют инструкции по очистке и уходу за их конструкциями.[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

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

В Немецкий институт стандартизации публикует стандарт для измерения pH с помощью pH-метров, DIN 19263.[17]

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

В соответствии с принципами хорошая лабораторная практика, калибровка выполняется как минимум с двумя стандартными буферные растворы которые охватывают диапазон измеряемых значений pH. 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 температурная зависимость управления буфером. Для более точных измерений иногда требуется калибровка при трех различных значениях pH. Некоторые pH-метры имеют встроенную коррекцию температурного коэффициента с учетом температуры термопары в электродных датчиках. В процессе калибровки напряжение, создаваемое зондом (приблизительно 0,06 В на единицу pH), коррелирует со шкалой pH. Хорошая лабораторная практика требует, чтобы после каждого измерения зонды промывались дистиллированная вода или деионизированная вода для удаления любых следов измеряемого раствора, промокните салфеткой для научных исследований, чтобы впитать оставшуюся воду, которая может разбавить образец и, таким образом, изменить показания, а затем погрузите в раствор для хранения, подходящий для конкретного типа зонда.[18]

Типы pH-метров

Простой pH-метр
PH почвы метр

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 индикаторов и температуры, которые необходимо ввести для корректировки изменения pH, вызванного температурой. Выход может быть цифровым или аналоговым, а устройства могут быть батарея заряжена или полагаться на линия питания. 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 биологические микросреды.[6] Есть также голографические датчики pH, которые позволяют измерять pH. колориметрически, используя разнообразные индикаторы pH которые доступны.[20] Кроме того, есть коммерчески доступные pH-метры на основе твердотельные электроды, а не обычные стеклянные электроды.[21]

История

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

Понятие pH было определено в 1909 г. С. П. Л. Соренсен, а электроды использовались для измерения pH в 1920-х годах.[22]

В октябре 1934 г. Арнольд Орвилл Бекман зарегистрировал первый патент на полный химический прибор для измерения pH, патент США № 2058761, на свой «ацидиметр», позже переименованный в pH-метр. Бекман разработал прототип в качестве доцента химии в Калифорнийский технологический институтна просьбу разработать быстрый и точный метод измерения кислотности лимон сок для Калифорнийская биржа производителей фруктов (Sunkist).[23]:131–135

8 апреля 1935 года Beckman's переименовал Национальные технические лаборатории сосредоточилась на производстве научных инструментов, с компанией Arthur H. Thomas Company 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 последующие годы компания продала миллионы единиц.[25][26] В 2004 году pH-метр Beckman был признан Национальная историческая химическая достопримечательность ACS в знак признания его значения как первого коммерчески успешного электронного pH-метра.[24]

В Радиометр Корпорация Дании была основана в 1935 году и начала продавать pH-метры для медицинского использования примерно в 1936 году, но «разработкой автоматических pH-метров для промышленных целей пренебрегли. Вместо этого американские производители приборов успешно разработали промышленные pH-метры с широким спектром применения, 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 Jenco Electronics из Тайвань разработал и изготовил первый портативный цифровой pH-метр. Этот счетчик продавался под маркой Cole-Parmer Corporation.[28]

Создание pH-метра

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]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Основные этапы развития продукции Beckman Coulter» (PDF). Бекман Коултер. Получено 5 апреля 2017.
  2. ^ «pH-метр». Британская энциклопедия онлайн. 2016. Получено 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. ^ а б «Измерение и значение pH». Глобальная вода. Xylem, Inc. Получено 21 марта 2017.
  5. ^ Белл, Рональд Перси. «Кислотно-основная реакция». Британская энциклопедия. Энциклопедия Britannica, Inc.. Получено 21 марта 2017.
  6. ^ а б Loiselle, F.B .; Кейси, Дж. Р. (2010). Измерение внутриклеточного pH. Методы молекулярной биологии. 637. С. 311–31. Дои:10.1007/978-1-60761-700-6_17. ISBN 978-1-60761-699-3. PMID 20419443.
  7. ^ а б «Справочник по измерению pH» (PDF). PragoLab. Thermo Scientific, Inc. Получено 22 марта 2017.
  8. ^ Загадка, Питер (2013). «pH-метры и их электроды: калибровка, обслуживание и использование». Биомедицинский ученый. Апрель: 202–205.
  9. ^ а б c d Антони, Дж. Флор. «Принципы pH-метра». seafriends.org. Центр охраны морской среды и образования Seafriends. Получено 28 марта 2017.
  10. ^ Ванисек, Петр (2004). "Стеклянный pH-электрод" (PDF). Интерфейс (Лето). Электрохимическое общество. стр. 19–20. Получено 3 апреля 2017.
  11. ^ а б c Bitesize Bio: как ухаживать за pH-метром, Штеффи Магуб, 18 мая 2012 г.
  12. ^ «Теория и практика измерения pH» (PDF). Emerson Process Management. Декабрь 2010 г.
  13. ^ а б c d е ж г Галстер, Хельмут (1991). Измерение pH: основы, методы, применение, приборы. Вайнхайм: VCH Publishers, Inc. ISBN 978-3-527-28237-1.
  14. ^ Ltd, W. G. Pye and Co (1962). «Потенциометрический pH-метр». Журнал научных инструментов. 39 (6): 323. Дои:10.1088/0950-7671/39/6/442.
  15. ^ а б Лаборатория MRC: как хранить, чистить и восстанавливать pH-электроды.
  16. ^ Очистка электродов.
  17. ^ «Измерение pH - цепи измерения pH». Издательство Beuth DIN. Beuth Verlag GmbH. Получено 28 марта 2017.
  18. ^ «Как выполнить калибровку pH-метра». all-about-pH.com. Получено 14 декабря 2016.
  19. ^ Олсон, Викки (2015-04-15). «Как выбрать датчик pH для суровых производственных условий». Automation.isa.org. Международное общество автоматизации. Получено 31 марта 2017.
  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. Дои:10.1002 / adom.201300375.
  21. ^ «pH-электрод». pH-meter.info. Получено 30 марта 2017.
  22. ^ а б Трэвис, Энтони С .; Schröter, H.G .; Хомбург, Э.; Моррис, П.Дж.Т. (1998). Детерминанты эволюции европейской химической промышленности: 1900-1939: новые технологии, политические рамки, рынки и компании. Дордрехт: Kluwer Acad. Publ. п. 332. ISBN 978-0-7923-4890-0. Получено 29 мая 2015.
  23. ^ а б Арнольд Текрей и Майнор 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. ^ а б «Разработка pH-метра Beckman». Национальные исторические химические достопримечательности. Американское химическое общество. Получено 25 марта, 2013.
  25. ^ Лютер, Клаудия (19 мая 2004 г.). "Арнольд О. Бекман, 104". Новости Чикаго Трибьюн. Получено 8 марта 2014.
  26. ^ Джениг, Кентон Г. В поисках помощи исторической коллекции Бекмана 1911 - 2011 (Bulk 1935 - 2004). Институт истории науки. Институт истории науки. Получено 30 октября 2015. Щелкните «Beckman Historical Collection Finding Aid», чтобы перейти к документу полностью.
  27. ^ «Вот новый карманный pH-метр Beckman». Институт истории науки. 1956. Получено 6 августа 2019.
  28. ^ Буйе, Джон. «Эволюция pH-метра». Руководитель лаборатории. Получено 7 октября, 2010.
  29. ^ «Создание простейшего возможного pH-метра». 66pacific.com. Получено 29 марта 2017.

внешние ссылки