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pH計的原理介紹

更新時間:2021-05-25點擊次數(shù):2113

pH計,是用來測定溶液酸堿度值的儀器。pH計是利用原電池的原理作的,原電池的兩個電間的電動勢依據(jù)能斯特定律,既與電的自身屬性有關(guān),還與溶液里的氫離子濃度有關(guān)。原電池的電動勢和氫離子濃度之間存在對應(yīng)關(guān)系,氫離子濃度的負(fù)對數(shù)即為pH值。pH計是種常見的分析儀器,廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、環(huán)保和業(yè)等域。土壤pH值是土壤重要的基本性質(zhì)之。在pH測定過程中應(yīng)考慮待測溶液溫度及離子強度等因素。


原理
"pH"中的"p"來自德語Potenz,意思是濃度,H(hydrogenion)代表氫離子,用來量度物質(zhì)中氫離子的活性。這活性直接關(guān)系到水溶液的酸性、中性和堿性。水在化學(xué)上是中性的,但不是沒有離子,即使化學(xué)純水也有微量被離解:嚴(yán)格地講,在與水分子水合作用以前,氫核不是以自由態(tài)存在。

2H?O≒H?O? + OH?,由于水合氫離子(H3O)的濃度是與氫離子(H)濃度等同看待,上式可以簡化成下述常用的形式:

H?O≒H? + OH?

此處正的氫離子,人們在化學(xué)中表示為"H離子"或"氫核"。水合氫核表示為"水合氫離子"。負(fù)的氫氧根離子稱為"氫氧化物離子"。

利用質(zhì)量作用定律,對于純水的離解可以找到平衡常數(shù)加以表示:

K=H3O×OH----H2O

由于水只有少量被離解,因此水的質(zhì)量摩爾濃度實際為常數(shù),并且有平衡常數(shù)K可求出水的離子積KW。

KW=K×H2O KW= [H3O]·[OH]=10·10=10mol/L(25℃)

也就是說對于升純水在25℃時存在10摩爾H3O離子和10摩爾OHˉ離子。

在中性溶液中,氫離子H和氫氧根離子OHˉ的濃度都是10mol/L。如:

假如有過量的氫離子H,則溶液呈酸性。酸是能使水溶液中的氫離子H游離的物質(zhì)。同樣,如果使OHˉ離子游離,那么溶液就是堿性的。所以,給出H值就足以表示溶液的特性,呈酸性還是堿性,為了免于用此分子濃度負(fù)冪數(shù)行運算,生物學(xué)家澤倫森(Soernsen)在1909年建議將此不便使用的數(shù)值用對數(shù)代替,并定義為"pH值"。數(shù)學(xué)上定義pH值為氫離子濃度的常用對數(shù)負(fù)值。即pH=-lg[H]。

因此,pH值是離子濃度以10為底的對數(shù)的負(fù)數(shù):

改變50m³的水的pH值,從pH2到pH3需要500L漂白劑。然而,從pH6到pH7只需要50L的漂白劑。

測量pH值的方法很多,主要有化學(xué)分析法、試紙法、電位法。現(xiàn)主要介紹電位法測得pH值。

電位分析法所用的電被稱為原電池。原電池是個系統(tǒng),它的作用是使化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能。此電池的電壓被稱為電動勢(EMF)。此電動勢(EMF)由二個半電池構(gòu)成,其中個半電池稱作示電,它的電位與特定的離子活度有關(guān),如H;另個半電池為參比半電池,通常稱作參比電,它般是測量溶液相通,并且與測量儀表相連。

例如,支電由根插在含有銀離子的鹽溶液中的根銀導(dǎo)線制成,在導(dǎo)線和溶液的界面處,由于金屬和鹽溶液二種物相中銀離子的不同活度,形成離子的充電過程,并形成定的電位差。失去電子的銀離子溶液。當(dāng)沒有施加外電流行反充電,也就是說沒有電流的話,這過程會達(dá)到個平衡。在這種平衡狀態(tài)下存在的電壓被稱為半電池電位或電電位。這種(如上所述)由金屬和含有此金屬離子的溶液組成的電被稱為類電。

此電位的測量是相對個電位與鹽溶液的成分無關(guān)的參比電行的。這種具有電位的參比電也被稱為二電。對于此類電,金屬導(dǎo)線都是覆蓋層此種金屬的微溶性鹽(如:Ag/Agcl),并且插入含有此種金屬鹽陰離子的電解質(zhì)溶液中。此時半電池電位或電電位的大小取決于此種陰離子的活度。

此二種電之間的電壓遵循能斯特(NERNST)公式:

式中:E-電位

E0-電的標(biāo)準(zhǔn)電壓

R-氣體常數(shù)(8.31439焦耳/摩爾和℃)

T-開氏對溫度(例:20℃相當(dāng)于273.15+20=293.15開爾文)

F-法拉常數(shù)(96493庫化/當(dāng)量)

n-被測離子的化合價(銀=1,氫=1)

ln(aMe)-離子活度aMe的對數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)氫電是所有電位測量的參比點。標(biāo)準(zhǔn)氫電是根鉑絲,用電解的方法鍍(涂覆)上氯化鉑,并且在四周充入氫氣(固定壓力為1013hpa)構(gòu)成的。

將此電浸入在25℃時H3O離子含量為1mol/l溶液中便形成電化學(xué)中所有電位測量所參照的半電池電位或電電位。其中氫電作為參比電在實踐中很難實現(xiàn),于是使用二類電做為參比電。其中便是銀/氯化銀電。該電通過溶解的AgCl對于氯離子濃度的變化起反應(yīng)。

此參比電的電電位通過飽和的kcl貯池(如:3mol/l kcl)來實現(xiàn)恒定。液體或凝膠形式的電解質(zhì)溶液通過隔膜與被測溶液相連通。

利用上述的電組合-銀電和Ag/AgCl參比電可以測量膠片沖洗液中的銀離子含量。也可以將銀電換成鉑或金電行氧化還原電位的測量。例如:某種金屬離子的氧化階段。

pH示電是玻璃電。它是支端吹成泡狀的對于pH敏感的玻璃膜的玻璃。管內(nèi)充填有含飽和AgCl的3mol/l kcl緩沖溶液,pH值為7。存在于玻璃膜二面的反映pH值的電位差用Ag/AgCl傳導(dǎo)系統(tǒng),

如二電,導(dǎo)出。pH復(fù)合電和pH固態(tài)電,

此電位差遵循能斯特公式:

將E0、R、T(298.15K即25℃)等數(shù)值代入上式既得:

E=59.16mv/25℃ per pH (式中已將ln[H3O]轉(zhuǎn)化為pH)

式中R和F為常數(shù),n為化合價,每種離子都有其固定的值。對于氫離子來講n=1。溫度"T"做為變量,在能斯特公式中起很大作用。隨著溫度的上升,電位值將隨之增大。

對于每1℃的溫度變大,將引起電位0.2mv/per pH變化。用pH值來表示則每1℃1pH變化0.0033pH值。

這也就是說:對于20~30℃之間和7pH左右的測量不需要對溫度變化行補償;而對于溫度>30℃或<20℃和pH值>8或6的應(yīng)用場合則須對溫度變化行補償。

業(yè)pH計,是種業(yè)儀器設(shè)備,主要用來測量液體介質(zhì)的酸堿度值。以及安裝、清洗、抗干擾等等問題的考慮

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