Что такое pH?

Измерение pH используется в самых разных областях: сельское хозяйство, очистка сточных вод, промышленные процессы, мониторинг окружающей среды, а также в исследованиях и разработках. pH – это мера кислотности или щелочности раствора. Значение pH показывает относительное количество ионов водорода (H+), содержащихся в растворе. Чем больше концентрация H+, тем более кислым является раствор и тем ниже pH. В этом отношении pH определяется как отрицательный логарифм активности водорода. Стандартная система измерения pH состоит из трех элементов: 1) pH-электрода BOQU; 2) Элемент температурной компенсации BOQU и 3) pH-метр или контроллер BOQU.

Каково определение pH?

Значение pH раствора представляет собой отрицательный логарифм активности ионов водорода (α), который является произведением концентрации ионов водорода [H+] и коэффициента активности водорода (gH+) при этой концентрации.

pH = –log α = –log γH+[H+]

В чистой воде и разбавленных растворах активность Н+ можно считать такой же, как и концентрацию Н+.

pH = –log γH+[H+] = –log [H+]

pH раствора измеряет степень кислотности или щелочности относительно ионизации воды. Чистая вода диссоциирует с образованием 10-7 М [H+] и [OH–] при 25°C; таким образом, pH воды равен 7, что является точкой нейтральности.

pHвода = –log [H+] = –log 10-7 = 7

Большинство показаний pH варьируются от 0 до 14. Растворы с более высоким содержанием [H+], чем в воде (рН менее 7), являются кислыми; растворы с более низким содержанием [H+], чем вода (рН более 7), являются основными или щелочными.

Определение pH

Измерение pH включает сравнение потенциала растворов с неизвестным [H+] с известным эталонным потенциалом. pH-метры преобразуют соотношение напряжений между эталонной полуячейкой и чувствительной полуячейкой в ​​значения pH. Сегодня большинство электродов представляют собой комбинированные электроды, в которых опорная и чувствительная полуэлементы расположены в одном корпусе.

Эталонные полуэлементы содержат проводник (обычно серебряный с покрытием из хлорида серебра), погруженный в раствор с известным содержанием [H+]. Потенциал между этим внутренним проводником и известным решением является постоянным, обеспечивая стабильный опорный потенциал. 

Сенсорные полуячейки (измерительные полуячейки) состоят из непроводящей стеклянной (или эпоксидной) трубки, приклеенной к проводящей стеклянной мембране. Как и эталонная полуячейка, чувствительная полуячейка также содержит проводник, погруженный в забуференный раствор электролита, обеспечивающий постоянство напряжений на внутренней поверхности стеклянной мембраны и чувствительном проводнике.

Когда pH-электрод погружается в измеряемый раствор, на поверхности чувствительной стеклянной мембраны устанавливается потенциал. Если неизвестное решение  нейтральна, сумма фиксированных напряжений на внутренней поверхности стеклянной мембраны и на чувствительном проводнике примерно уравновешивает напряжение на внешней поверхности стеклянной мембраны и опорной полуэлемента. Это приводит к общей разности потенциалов 0 мВ и значению pH 7.

В кислых или щелочных растворах напряжение на внешней поверхности мембраны изменяется пропорционально изменению [H+]. pH-метр обнаруживает изменение потенциала и определяет [H+] неизвестного значения по уравнению Нернста.:

где:

E = общая разность потенциалов (измеряется в мВ)

T = температура в Кельвинах

n = количество электронов

E° = опорный потенциал

F = постоянная Фарадея

R = газовая постоянная

[H+] = концентрация ионов водорода

Температурная компенсация pH

pH любого раствора зависит от его температуры.  Выходное напряжение электрода изменяется линейно в зависимости от изменения pH, а температура раствора определяет наклон графика. Одна единица pH соответствует 59,16 мВ при 25°C — стандартному напряжению и температуре, к которым относятся все калибровки. Напряжение на электроде снижается до 54,20 мВ/pH ед. при 0,0°C и увеличивается до 74,04 мВ/pH ед. при 100,0°C.

Поскольку значения pH зависят от температуры, приложения pH требуют некоторой формы температурной компенсации для обеспечения стандартизации значений pH.  Счетчики и контроллеры с автоматической температурной компенсацией (АТК) получают непрерывный сигнал от температурного элемента и автоматически корректируют значение pH в зависимости от температуры раствора.  Ручная температурная компенсация требует от пользователя ввода температуры. ATC считается более практичным для большинства применений pH.