рН метры и измерители кислотности

Что такое рН?

рН указывает на концентрацию ионов водорода в растворе. pH означает силу водорода. Чтобы понять теорию рН, необходимо понять диссоциацию воды. Шкала pH образовалась в результате самопроизвольной диссоциации воды. Вода самопроизвольно диссоциирует на Н+ и ОН- компоненты. В чистой воде концентрация иона Н+ составляет 1 х 10-7. Эта концентрация ионов H+ является нейтральной, то есть она не является ни кислотной, ни щелочной.

Водородный показатель (pH [пэ-аш] - лат. pondus Hydrogenii «вес водорода») — мера кислотности водных растворов. Является способом выражения активности катионов водорода в растворах. Противоположна по знаку и равна по модулю десятичному логарифму активности (а) катионов водорода (Н⁺), выраженной в молях на литр, которую в сильно разбавленных растворах можно считать равной их равновесной молярной концентрации ([H⁺]):

pH = lg(a_H+)~-lg([H⁺])

• pH < 7соответствует кислотному раствору
• pH = 7 соответствует нейтральному раствору иногда относят к кислотному
• pH > 7 соответствует основному раствору.

Водородный показатель может быть определён с помощью кислотно-основных индикаторов, измерен потенциометрическим pH-метром. Точное измерение и регулирование pH необходимо в различных отраслях химии биологии, наук о материалах, технологий, медицины и агрономической химии измерение pH в некоторых средах представляет непростую задачу. Высокоточные pH-метры Testo зарекомендовали себя везде, где требуются точное и эффективное определение значения pH.

Методы определения значения pH

1. Для определения значения pH растворов широко используют несколько методик. Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять pH-метром или определять аналитически путём, проведением кислотно-основного титрования.
2. Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются кислотно-основные индикаторы — органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. К наиболее известным индикаторам принадлежат лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и другие. Индикаторы способны существовать в двух по-разному окрашенных формах — либо в кислотной, либо в основной. Изменение цвета каждого индикатора происходит в своём интервале кислотности, обычно составляющем 1-2 единицы.
3. Для расширения рабочего интервала измерения pH используют так называемый универсальный индикатор, представляющий собой смесь из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно меняет цвет с красного через жёлтый, зелёный, синий до фиолетового при переходе из кислотной области в основную. Определения pH индикаторным методом затруднено для мутных или окрашенных растворов.
4. Использование специального прибора — pH-метра — позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно, чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H+ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне pH, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.
5. Аналитический объёмный метод — кислотно-основное титрование — также даёт точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакция. Точка эквивалентности — момент, когда титранта точно хватает, чтобы полностью завершить реакцию, — фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объём добавленного раствора титранта, вычисляется кислотность раствора.
6. При отсутствии инструментальных средств определения рН могут быть использованы водные экстракты антоцианов — пигментов растений, окрашивающих цветки, плоды, листья, стебли. Основа их строения — катион флавилия, у которого кислород в пирановом кольце свободновалентен. Например, цианидин имеет красновато-фиолетовый цвет, однако цвет меняется с изменением рН: растворы имеют красный цвет при рН<3, фиолетовый при рН 7-8 и голубой при рН>11. Обычно в кислоте антоцианы имеют красный цвет различной интенсивности и оттенков, а в щелочной — синий. Такие изменения в окраске антоцианов можно наблюдать, добавляя кислоту или щелочь к окрашенному соку смородины, вишни, столовой свёклы или краснокочанной капусты

Значение кислотности сред

Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Для поддержания определённого значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований или на производстве применяют буферные растворы, которые позволяют сохранять практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении в раствор небольших количеств кислоты или щёлочи.

Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред.

Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систем организма.

Приборы определения кислотности

Определение рН-метра

pH-метр — прибор для измерения водородного показателя (показателя pH), характеризующего активность ионов водорода в растворах, воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных системах непрерывного контроля технологических процессов, в том числе в агрессивных средах.

Понятие рН было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода, или pondus hydrogenii — вес водорода. Вообще в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную -lgX, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода (H⁺).

В основу работы положен потенциометрический метод измерения pH и Eh контролируемого раствора. При измерении pH (или Eh) растворов используется первичный измерительный преобразователь — электродная система, состоящая из измерительного электрода и электрода сравнения.

Эти электроды могут представлять собой как раздельные устройства, так и быть объединены в одном корпусе (комбинированный электрод). Электродная система, погруженная в анализируемый раствор, развивает электродвижущую силу (ЭДС), пропорциональную показателю активности ионов водорода (pH) или соотношению концентраций окисленной и восстановленной форм редокс-системы. ЭДС электродной системы зависит также от температуры анализируемого раствора. Для измерения температуры и учета ее влияния на электродную систему (термокомпенсации) используется первичный преобразователь - датчик температуры, построенный на основе терморезистора (далее — термодатчик). Для электродных систем, применяемых для определения pH растворов, существует точка (значение pH) в которой их ЭДС не зависит от температуры. Эта точка носит название изопотенциальной, а соответствующие ей значения «pXi» и «Ei» называются координатами изопотенциальной точки. На основе измеренной величины ЭДС вторичный преобразователь (далее — преобразователь) осуществляет расчет значения pH по следующей формуле:

pН = pXi — (Е — Ei) / Кs • (54,1 + 0,198 t),

• где Е — измеренная ЭДС электродной системы, мВ;

• pХi — координата изопотенциальной точки электродной системы;

• Ei — координата изопотенциальной точки электродной системы, мВ;

• Ks — доля, которую составляет реальная крутизна электродной характеристики от теоретического значения, равного (54,1 + 0,198 t);

• t — температура раствора, измеренная при помощи термодатчика или введенная вручную, °С.

Значение pH выводится на дисплей преобразователя. Кроме этого на дисплей могут выводиться результаты измерения ЭДС электродной пары и температуры среды в единицах мВ и °С соответственно.

Особенности рН-метров?

• pH-метр — ценный инструмент, используемый в различных областях для определения кислотности или щелочности растворов на водной основе. Он обеспечивает точные измерения путем оценки движения ионов водорода в суспензии, которое затем выражается в виде рН. Термин «pH» происходит от «p», обозначающего отрицательный логарифм, и «H», химического символа водорода.
• Фундаментальный принцип рН-метра заключается в потенциометрическом измерении. Он включает в себя обнаружение изменения электрического потенциала между двумя электродами: рН-электродом и электродом сравнения. Электрод рН специально разработан для реагирования на изменения концентрации ионов водорода, в то время как электрод сравнения обеспечивает стабильный электрический потенциал. Сравнивая эти два потенциала, рН-метр может определить кислотность или щелочность раствора.
• Шкала рН колеблется от 0 до 14, где рН 7 считается нейтральным. Значение pH ниже 7 указывает на кислотность, а значение выше 7 указывает на щелочность. Математическая связь между шкалой pH и концентрацией ионов водорода выражается как pH = -log[H+]. Это уравнение позволяет переводить разность электрических потенциалов в значимые значения pH.
• История рН-метра восходит к началу 20 века. В 1909 году немецкий химик Фриц Габер и его ученик Зигмунт Клеменсевич предложили концепцию стеклянного электрода, которая легла в основу современного измерения pH. Однако только в 1934 году американский химик Арнольд Бекман представил первый электронный рН-метр. Изобретение Бекмана произвело революцию в измерении pH, предоставив более точный и удобный метод по сравнению с предыдущими методами.
• Область применения рН-метров обширна и разнообразна. В лабораторных условиях рН-метры являются важными инструментами для научных исследований, химического анализа и экспериментов. Они обычно используются в таких областях, как биология, химия, наука об окружающей среде и фармацевтические исследования. pH-метры также ценны в промышленных процессах, где они играют решающую роль в контроле качества и мониторинге кислотности или щелочности различных растворов.
• Таким образом, pH-метр — это сложный научный прибор, который измеряет кислотность или щелочность растворов на водной основе. Обнаружив изменение электрического потенциала между электродом pH и электродом сравнения, он обеспечивает точные измерения pH. Изобретение электронного рН-метра произвело революцию в методах измерения рН и позволило добиться прогресса в различных областях, от научных исследований до промышленного применения.

рН-электроды

рН-электроды - это не идеальные системы. Они могут иметь различную длину, несовершенную геометрическую форму, нарушения в составе внутреннего электролита и т.д. Все это влияет на их характеристики и, в тоже время, это вполне нормально, так как в любом производстве существуют определенные допуски. Поэтому каждый рН-метр нуждается в калибровке, которая помогает прибору установить соотношение между сигналом от электрода и значением рН в растворе. Современные рН-электроды как правило комбинированные, т.е. в одном корпусе находятся и рН-электрод, и электрод сравнения. Помимо удобства в работе, это обеспечивает более быстрый отклик и снижает суммарную ошибку.

Выпускается огромное количество модификаций рН-электродов. По материалу рабочей мембраны серийные рН-электроды подразделяются на стеклянные, металлоксидные и пленочные с ПВХ-мембраной. Металлоксидные и пленочные электроды имеют ограниченную область применения, т.к. проигрывают стеклянным по всем основным параметрам. Наибольшее распространение получили стеклянные рН-электроды. Следует подчеркнуть, что название "стеклянный электрод" указывает только на материал рабочей мембраны, корпус же электрода может быть пластмассовый.

Не можете выбрать рН метры и измерители кислотности ? Закажите консультацию инженера!

Оставьте Ваши контактные данные и мы свяжемся с Вами в ближайшее время

Обратная связь