主题:【资料】环境检测仪器系列信息之一------PH计

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PH计原理与测量方法

  什么是PHPH是拉丁文“Pondus hydrogenii”一词的缩写(Pondus=压强、压力hydrogenium=氢),用来量度物质中氢离子的活性。这一活性直接关系到水溶液的酸性、中性和碱性。水在化学上是中性的,但不是没有离子,即使化学纯水也有微量被离解:严格地讲,只有在与水分子水合作用以前,氢核不是以自由态存在。

  H2O+ H2O=H3O+ + OHˉ

 



 由于水合氢离子(H3O)的浓度是与氢离子(H)浓度等同看待,上式可以简化成下述常用的形式:

  H2O=H+ + OHˉ

  此处正的氢离子人们在化学中表示为“H+离子氢核。水合氢核表示为水合氢离子。负的氢氧根离子称为氢氧化物离子

  利用质量作用定律,对于纯水的离解可以找到一平衡常数加以表示:

  K = H3O+·OH- ——————

  H2O

  由于水只有极少量被离解,因此水的克分子浓度实际为一常数,并且有平衡常数K可求出水的离子积KW

  KW=K×H2O KW= H3O+·OH=107·107=1014mol/l(25)

  也就是说对于一升纯水在25时存在107摩尔H3O+离子和107摩尔OHˉ离子。

  在中性溶液中,氢离子H+和氢氧根离子OHˉ的浓度都是107mol/l。如:

  假如有过量的氢离子H+,则溶液呈酸性。酸是能使水溶液中的氢离子H+游离的物质。同样,如果氢离子H+并使OHˉ离子游离,那末溶液就是碱性的。所以,给出CH+值就足以表示溶液的特性,呈酸性碱性,为了免于用此克分子浓度负冥指数进行运算,生物学家泽伦森(Soernsen)在1909年建议将此不便使用的数值用对数代替,并定义为“pH。数学上定义pH值为氢离子浓度的常用对数负值。即

  因此,PH值是离子浓度以10为底的对数的负数:

  改变50m3的水的pH值,从pH2pH3需要500L漂白剂。然而,从pH6pH7只需要50L的漂白剂。

  测量PH值的方法很多,主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位法测得PH值。

  电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统,它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势(EMF)。此电动势(EMF)由二个半电池构成,其中一个半电池称作测量电极,它的电位与特定的离子活度有关,如H+;另一个半电池为参比半电池,通常称作参比电极,它一般是测量溶液相通,并且与测量仪表相连。

  例如,一支电极由一根插在含有银离子的盐溶液中的一根银导线制成,在导线和溶液的界面处,由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度,形成离子的充电过程,并形成一定的电位差。失去电子的银离子进溶液。当没有施加外电流进行反充电,也就是说没有电流的话,这一过程最终会达到一个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电极电位。这种(如上所述)由金属和含有此金属离子的溶液组成的电极被称为第一类电极。

  此电位的测量是相对一个电位与盐溶液的成分无关的参比电极进行的。这种具有独立电位的参比电极也被称为第二电极。对于此类电极,金属导线都是覆盖一层此种金属的微溶性盐(如:Ag/Agcl),并且插入含有此种金属盐阴离子的电解质溶液中。此时半电池电位或电极电位的大小取决于此种阴离子的活度。

  此二种电极之间的电压遵循能斯特(NERNST)公式:

  

 

能斯特公式



式中:E—电位

  E0—电极的标准电压

  R—气体常数(8.31439焦耳/摩尔和

  T—开氏绝对温度(例:20相当于(273.15+20293.15开尔文)

  F—法拉弟常数(96493库化/当量)

  n—被测离子的化合价(银=1,氢=1

  lnaMe离子活度aMe的对数

  标准氢电极是所有电位测量的参比点。标准氢电极是一根铂丝,用电解的方法镀(涂覆)上氯化铂,并且在四周充入氢气(固定压力为1013hpa)构成的。

  将此电极浸入在25H3O+离子含量为1mol/l溶液中便形成电化学中所有电位测量所参照的半电池电位或电极电位。其中氢电极做为参比电极在实践中很难实现,于是使用第二类电极做为参比电极。其中最常用的便是银/氯化银电极。该电极通过溶解的AgCl对于氯离子浓度的变化起反应。

  此参比电极的电极电位通过饱和的kcl贮池(如:3mol/l kcl)来实现恒定。液体或凝胶形式的电解质溶液通过隔膜与被测溶液相连通。

  利用上述的电极组合银电极和Ag/AgCl参比电极可以测量胶片冲洗液中的银离子含量。也可以将银电极换成铂或金电极进行氧化还原电位的测量。例如:某种金属离子的氧化阶段。

  最常用的PH指示电极是玻璃电极。它是一支端部吹成泡状的对于pH敏感的玻璃膜的玻璃。管内充填有含饱和AgCl3mol/l kcl缓冲溶液,pH值为7。存在于玻璃膜二面的反映PH值的电位差用Ag/AgCl传导系统,

  如第二电极,导出。PH复合电极和PH固态电极,

  此电位差遵循能斯特公式:

  

 

能斯特公式



E0RT298.15K25)等数值代入上式既得:

  E=59.16mv/25 per pH (式中已将lnH3O+)转化为pH

  式中RF为常数,n为化合价,每种离子都有其固定的值。对于氢离子来讲n=1。温度“T”做为变量,在能斯特公式中起很大作用。随着温度的上升,电位值将随之增大。

  对于每1的温度变大,将引起电位0.2mv/per pH变化。用pH值来表示则每11pH变化0.0033pH值。

  这也就是说:对于2030之间和7pH左右的测量不需要对温度变化进行补偿;而对于温度>30或<20pH值>8pH6pH的应用场合则必须对温度变化进行补偿。

  pH值一电位一离子浓度之间的关系

  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 OH离子

  14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 H 离子

  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH

  +414.4•••• •• ••••+.59.2 0 -59.2•••••••••••• •••• -414.4 mv/25

  从以上我们对PH测量的原理进行了分析而得知我们只要用一台毫伏计即可把PH值显示出来
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电极使用注意
  1、 玻璃电极插座应保持干燥、清洁,严禁接触酸雾、盐雾等有害气体,严禁沾上水溶液,保证仪器的高输入阻抗。   2、 不进行测量时,应将输入短路,以免损坏仪器。   3、 新电极或久置不用的电极在使用前,必须在蒸馏水中浸泡数小时。使电极不对称电位降低达到稳定,降低电极内阻。   4、 测量时,电极球泡应全部浸入被测溶液中。   5、 使用时,应使内参比电极浸在内参比溶液中,不要让内参比溶液倒向电极帽一端,使内参比悬空。   6、 使用时,应拔去参比电极电解液加液口的橡皮塞,以使参比电解液(盐桥)借重力作用维持一定流速渗透并与被测溶液相通。否则,会造成读数漂移。   7、 氯化钾溶液中应该没有气泡,以免使测量回路断开。   8、 应该经常添加氯化钾盐桥溶液,保持液面高于银/氯化银丝。
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校准溶液校准时注意
  pH计因电计设计的不同而类型很多,其操作步骤各有不同,因而pH计的操作应严格按照其使用说明书正确进行。在具体操作中,校准是pH计使用操作中的一重要步骤。表1的数据是精度为0.01级、经过计量检定合格的pH计在未校准时与校准后的测量值,从中可以看出校准的重要性。   尽管pH计种类很多,但其校准方法均采用两点校准法,即选择两种标准缓冲液:一种是pH7标准缓冲液,第二种是pH9标准缓冲液或pH4标准缓冲液。先用pH7标准缓冲液对电计进行定位,再根据待测溶液的酸碱性选择第二种标准缓冲液。如果待测溶液呈酸性,则选用pH4标准缓冲液;如果待测溶液呈碱性,则选用pH9标准缓冲液。若是手动调节的pH计,应在两种标准缓冲液之间反复操作几次,直至不需再调节其零点和定位(斜率)旋钮,pH计即可准确显示两种标准缓冲液pH值。则校准过程结束。此后,在测量过程中零点和定位旋钮就不应再动。若是智能式pH计,则不需反复调节,因为其内部已贮存几种标准缓冲液的pH值可供选择、而且可以自动识别并自动校准。但要注意标准缓冲液选择及其配制的准确性。智能式0.01级pH计一般内存有三至五种标准缓冲液pH值,如科立龙公司的KL-016型pH计等。   其次,在校准前应特别注意待测溶液的温度。以便正确选择标准缓冲液,并调节电计面板上的温度补偿旋钮,使其与待测溶液的温度一致。不同的温度下,标准缓冲溶液的pH值是不一样的。   校准工作结束后,对使用频繁的pH计一般在48小时内仪器不需再次定标。如遇到下列情况之一,仪器则需要重新标定:   ⑴溶液温度与定标温度有较大的差异时.   ⑵电极在空气中暴露过久,如半小时以上时.   ⑶定位或斜率调节器被误动;   ⑷测量过酸(pH<2)或过碱(pH>12)的溶液后;   ⑸换过电极后;   ⑹当所测溶液的pH值不在两点定标时所选溶液的中间,且距7pH又较远时。   1、 测量时应按说明书规定的时间周期对仪器进行校准。   2、 校准时应注意:   标准缓冲溶液温度尽量与被测溶液温度接近。   定位标准缓冲溶液应尽量接近被测溶液的pH值。或两点标定时,应尽量使被测溶液的pH值在两个标准缓冲溶液的区间内。   校准后,应将浸入标准缓冲溶液的电极用水特别冲洗,因为缓冲溶液的缓冲作用,带入被测溶液后,造成测量误差。   3、 记录被测溶液的pH值时应同时记录被测溶液的温度值,因为离开温度值,pH值几乎毫无意义。尽管大多数pH计都具有温度补偿功能,但仅仅是补偿电极的响应而已,也就是说只是半补偿,而没有同时对被测溶液进行温度补偿,即,全补偿。
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PH计的保养
  1、 pH玻璃电极的贮存   短期:贮存在pH=4的缓冲溶液中;   长期:贮存在pH=7的缓冲溶液中。   2、 pH玻璃电极的清洗   玻璃电极球泡受污染可能使电极响应时间加长。可用CCl4或皂液揩去污物,然后浸入蒸馏水一昼夜后继续使用。污染严重时,可用5%HF溶液浸10~20分钟,立即用水冲洗干净,然后浸入0.1N HCl溶液一昼夜后继续使用。   3、 玻璃电极老化的处理   玻璃电极的老化与胶层结构渐进变化有关。旧电极响应迟缓,膜电阻高,斜率低。用氢氟酸浸蚀掉外层胶层,经常能改善电极性能。若能用此法定期清除内外层胶层,则电极的寿命几乎是无限的。   4、 参比电极的贮存   银-氯化银电极最好的贮存液是饱和氯化钾溶液,高浓度氯化钾溶液可以防止氯化银在液接界处沉淀,并维持液接界处于工作状态。此方法也适用于复合电极的贮存。   5、 参比电极的再生   参比电极发生的问题绝大多数是由液接界堵塞引起的,可用下列方法解决:   (1) 浸泡液接界:用10%饱和氯化钾溶液和90%蒸馏水的混合液,加热至60~70℃,将电极浸入约5cm,浸泡20分钟至1小时。此法可溶去电极端部的结晶。   (2) 氨浸泡:当液接界被氯化银堵塞时可用浓氨水浸除。具体方法是将电极内充洗净,液放空后浸入氨水中10~20分钟,但不要让氨水进入电极内部。取出电极用蒸馏水洗净,重新加入内充液后继续使用。   (3) 真空方法:将软管套住参比电极液接界,使用水流吸气泵,抽吸部分内充液穿过液接界,除去机械堵塞物。   (4) 煮沸液接界:银-氯化银参比电极的液接界浸入沸水中10~20秒。注意,下一次煮沸前,应将电极冷却到室温。   (5) 当以上方法均无效时,可采用砂纸研磨的机械方法去除堵塞。此法可能会使研磨下的砂粒塞入液接界。造成永久性堵塞。
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pH计的维护
  目前实验室使用的电极都是复合电极,其优点是使用方便,不受氧化性或还原性物质的影响,且平衡速度较快。使用时,将电极加液口上所套的橡胶套和下端的橡皮套全取下,以保持电极内氯化钾溶液的液压差。下面就把电极的使用与维护简单作一介绍:   ⒈复合电极不用时,可充分浸泡3M氯化钾溶液中。切忌用洗涤液或其他吸水性试剂浸洗。   ⒉使用前,检查玻璃电极前端的球泡。正常情况下,电极应该透明而无裂纹;球泡内要充满溶液,不能有气泡存在。   ⒊测量浓度较大的溶液时,尽量缩短测量时间,用后仔细清洗,防止被测液粘附在电极上而污染电极。   ⒋清洗电极后,不要用滤纸擦拭玻璃膜,而应用滤纸吸干, 避免损坏玻璃薄膜、防止交叉污染,影响测量精度。   ⒌测量中注意电极的银—氯化银内参比电极应浸入到球泡内氯化物缓冲溶液中,避免电计显示部分出现数字乱跳现象。使用时,注意将电极轻轻甩几下。   ⒍电极不能用于强酸、强碱或其他腐蚀性溶液。   ⒎严禁在脱水性介质如无水乙醇、重铬酸钾等中使用。
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1、 pH玻璃电极的贮存   短期:贮存在pH=4的缓冲溶液中;   长期:贮存在pH=7的缓冲溶液中。   2、 pH玻璃电极的清洗   玻璃电极球泡受污染可能使电极响应时间加长。可用CCl4或皂液揩去污物,然后浸入蒸馏水一昼夜后继续使用。污染严重时,可用5%HF溶液浸10~20分钟,立即用水冲洗干净,然后浸入0.1N HCl溶液一昼夜后继续使用。
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1. 什么是水的pH值?它有什么意义?
  pH值是水溶液最重要的理化参数之一。凡涉及水溶液的自然现象,化学变化以及生产过程都与pH值有关,因此,在工业、农业、医学、环保和科研领域都需要测量pH值。   水的pH值是表示水中氢离子活度的负对数值,表示为:   pH= - lg aH+   pH值有时也称氢离子指数,由于氢离子活度的数值勤往往很小,在应用很不方便,所以就用pH值之一概念来作为水溶液酸性、碱性的判断指示。而且,氢离子活度的负对数值能够表示出酸性、碱性的变化幅度的数量级的大小,这样应用起来就十分方便,并由此得到:   ⑴中性水溶液,pH= - lg aH+=-lg10-7=7   ⑵酸性水溶液,pH<7,pH值越小,表示酸性越强;   ⑶碱性水溶液,pH>7,pH值越大,表示碱性越强。
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2. 什么是pH标度?
  pH测量是一种相对测量,它仅仅指示标准溶液与未知溶液之间的pH差别,实际测量时,需要用标准缓冲溶液定期进行校准。因此,为了达到量值的一致,必须建立pH标度。pH标度范围定为0~14pH,pH标度的量值由基准缓冲溶液的pHs值确定。   因此,pH标度的含义可表达为:根据pH定义,在0~14pH范围内选择若干个pH缓冲溶液作为pH标度的固定点,并且采用当代技术能达到的最准确的方法测定它们的pHs值。国际上有二种pH标度,即多种基准pH标度和单种基准pH标度,中国采用多种基准pHs标度。
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3. pH测量一定要标定校准吗?
  pH测量通常有比色法(pH试纸或比色皿)和电极法二种。比色法当然不要标定,而电极法就一定要标定,因为电极法pH测量就是将未知溶液与已知pHs值的标准溶液在测量电池中作用比较测定,这是电极法pH测量的“操作定义”所决定的。
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4. 什么是pH标准缓冲溶液?它有哪些特点?
  pH缓冲溶液是一种能使pH值保持稳定的溶液。如果向这种溶液中加入少量的酸或碱,或者在溶液中的化学反应产生少量的酸或碱,以及将溶液适当稀释,这个溶液的pH值基本上稳定不变,这种能对抗少量酸或碱或稀释,而使pH值不易发生变化的溶液就称为pH缓冲溶液。   pH标准缓冲溶液具有以下特点:   ⑴标准溶液的pH值是已知的,并达到规定的准确度。   ⑵标准溶液的pH值有良好的复现性和稳定性,具有较大的缓冲容量,较小的稀释值和较小的温度系数。   ⑶溶液的制备方法简单。
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5. 如何配制pH缓冲溶液?
  对于一般的pH测量,可使用成套的pH缓冲试剂(可配制250ml),配制溶液时,应使用去离子水,并预先煮沸15~30分钟,以除去溶解的二氧化碳。剪开塑料袋将试剂倒入烧杯中,用适量去离子水使之溶解,并冲洗包装袋,再倒入250ml容量瓶中,稀释至刻度,充分摇匀即可。
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