https://www.kewlab.com.cn/
×

PH计的工作原理与应用

pH计是用来测量溶液酸碱度(常被称为pH值)的常用分析仪器。pH是描述酸碱度的计量单位,通常情况下测量范围在0-14之间。

图1: 一个典型pH计

pH值以氢离子浓度的负对数形式表示,具体如下:

  pH = -log [H+]

例如在25℃的纯水或者中性溶液中:

  [H+]= 1×10-7M
pH = -log (1×10-7)
= - (log 1× log10-7)
= - (0.0 + (-7.0))
pH = 7.0

pH计算所提供的定量数据表达了一种酸或碱的氢离子浓度。一种物质的pH值与溶液中氢离子[H+]和羟基离子[OH-]浓度的比值直接相关。如果[H+]浓度大于[OH-]浓度,则物质为酸性(pH <7);如果[OH-]浓度大于[H+]浓度,则物质为碱性(pH >7);如果溶液中[OH-]浓度等于[H+]浓度,则是中性的(pH = 7)。

pH测量

溶液的pH值可以通过pH试纸或指示剂来测量,它们会随着pH值的变化而改变颜色,但不能给出准确的读数。精确的pH值是用电子pH计测量出来的。pH计由pH测量电极、参比电极和高输入阻抗计这三个部分组成。pH电极可以假设为一个电池,其电压随被测溶液的pH值而变化。pH值测量电极是一个氢离子敏感玻璃球泡,输出毫伏单位电位差与球泡内外相对氢离子浓度的变化成正比。参比电极的输出不随氢离子的浓度而变化。pH电极具有很高的内阻,使得电压随pH的变化难以估计。因此,pH计的输入阻抗和泄漏电阻是至关重要的因素。pH计是一种高阻抗放大器,可以精确测量微小的电极电压,并在模拟或数字显示器上以pH单位直接显示结果。在某些情况下,还可以读取特殊应用或用于离子选择性或氧化还原电位(ORP)电极的电压。

pH电极

pH电极技术在过去五六十年中没有太大变化。尽管近三、四十年现代科技高速发展,但是pH电极的制作仍然是一门艺术。电极的独特玻璃本体由玻璃吹制器吹制成其结构。这不是一项先进或高科技技术,却是电极制造过程中非常关键和必要的步骤。玻璃的厚度决定了它的电阻并影响它的输出。

现在pH计的探头基本都是复合电极,由玻璃电极和参比电极组合在一个外壳里面。复合电极由如下部分组成:

图2: pH复合电极示意图(来源于维基百科)

  1. 电极的传感部分,由特殊玻璃制成的球泡
  2. 内参比电极,通常是Ag/AgCl电极或甘汞电极
  3. 内参比溶液,通常是pH=7缓冲溶液,pH电极为0.1 mol/L KCl。
  4. 在使用Ag/AgCl电极时,玻璃电极内会有少量的AgCl沉淀
  5. 外参比电极,通常与第2部分相同
  6. 外参比溶液,通常为0.1 mol/L KCl溶液
  7. 液接界是外参比溶液和被测溶液的连接部件,通常由陶瓷或毛细管与石棉或石英纤维制成
  8. 电极本体外壳,通常由不导电玻璃或者塑料制成

pH电极的底部膨胀成一个圆而薄的玻璃球泡。pH电极可以假设为管子内嵌管子。内管含有保持不变的1×10−7 mol/L HCl溶液。参比电极的正极末端也在内管中。负极末端将自己包裹在内管的外面,和同类参比电极在内管的内部一样。在充满KCl的参比溶液中,通过作为盐桥的多孔塞与pH探针外面的溶液接触。

校准

在每次测量前,pH计必须使用至少两种已知pH值标准缓冲溶液(通常pH=4.0和7.0)进行校准。

常见测量pH值的典型应用

  • pH测量在农业土壤评价中是非常重要的。主要作物生长需要碱性环境,因此测量pH显得很有必要;
  • pH测量也用于食品工业,尤其是奶酪、凝乳、酸奶等乳制品;
  • 化学及制药行业强制规定需要测量pH
  • pH值是生产洗涤剂的重要指标;
  • pH值监测在水处理工厂及反渗透膜净水器中必不可少.