Ph воды измерение: зачем измерять уровень pH и его роль в биологии

Что такое PH и особенности его определения

PH — potential hydrogen или сила водорода, является показателем, определяющим, кислотным или щелочным является вещество. Определить PH можно в водной среде по активности ионов. Как правило, показатели шкалы варьируются от нулевой отметки до отметки в 14 единиц. Чем ближе отметка к нулю, тем наиболее кислотным является вещество. А чем ближе показания шкалы к 14, тем щелочнее будет образец. Нейтральный показатель PH у чистой воды, он равен 7.

Причины и цели измерения PH могут быть разными. К примеру, в аквариуме с рыбами показатели PH должны быть в диапазоне от 8 до 8,5 единиц, а в пивном сусле для предотвращения размножения бактерий, отметка PH допускается уже от 5,2 до 5,7 единиц.

В некоторых случаях бывает достаточно результата PH в широком диапазоне единиц шкалы. Но в большинстве случаев, для обеспечения наибольшей точности, необходимы результаты проводимых тестов в наиболее узком диапазоне.

На сегодняшний день существует несколько методов определения PH. Рассмотрим их.

PH тестирование методом сопоставления цветов

Измерение с помощью тест – полосок, пожалуй, самый простой и легкий из всех способов определения PH. Бумажные полоски меняют цвет на основании химической реакции. Необходимо только сопоставить получившийся цветовой результат с цветом на образце и получить значение PH. Аналогичным способом работает метод определения PH с химическими реагентами, растворяемыми, например, в бассейне с водой. По изменению цвета определяется PH воды в бассейне. Преимуществом данных методов будет низкая стоимость бумажных тест – полосок и химических реагентов. Недостатком тестирования является его низкая точность.

Подобные тесты могут обеспечить показания PH и до сотой доли единицы, что на первый взгляд делает данный метод информативным. Однако в PH тестировании есть некоторые проблемные моменты.

Проблемные моменты в цветовом PH тестировании

Как выяснилось, на точность показания могут оказывать влияние внешние факторы. К внешним воздействиям можно отнести интенсивность и яркость солнечного освещения в момент проведения опыта. Также влияние может оказывать температура воздуха, время суток, наличие или отсутствие других цветов рядом. Такие причины, как собственная усталость и личная способность воспринимать цвета тоже отражаются на результатах измерения PH. И даже место проведения опыта и размер помещения важны для объективной оценки результата тестирования.

Не менее важной проблемой при определении PH методом сопоставления цветов является индивидуальная восприимчивость цвета разными людьми. Каждый человек может по – своему интерпретировать увиденный цветовой результат. При том, что люди видят один и тот же объект, мозг по – разному воспринимает и обрабатывает информацию. Все окружающие предметы поглощают одни цвета и отражают другие, к примеру, предметы черного цвета поглощают весь цвет, а предметы белого цвета все цвета отражают. Получается, что при цветовом тестировании возможны многочисленные варианты, зависящие от разных обстоятельств, внешних и индивидуальных.

Альтернатива цветовому PH тестированию

Как говорилось ранее, чаще всего требуется наиболее достоверный результат проводимого PH тестирования.

Карманный PH метр прекрасно подходит для точных измерений. Прибор универсален, прост и не нуждается в специальной дополнительной оценке результата. Низкая цена карманного тестера делает его доступным для любой категории населения. Цена на специализированные PH – метры может быть чуть выше. Наиболее простой в обслуживании – одноточечный карманный тестер, отличающийся наличием сменных электродов. Для проведения PH тестирования при высокой влажности, лучше всего подойдет тестер водонепроницаемый.

Портативный PH метр по сравнению с карманным, намного больших размеров, а также наиболее дорогой в ценовой категории PH – тестеров. Причина высокой цены портативного определителя PH в его многочисленных возможностях и узкоспециализированном предназначении. Электроды в портативных тестерах подключаются к прибору через кабель.

Беспроводной PH метр потребует установки на мобильный телефон, поскольку управляется через программное обеспечение. Для тех, кто хотел бы обновить свое оборудование для PH тестирования, беспроводной тестер будет наилучшим выбором.

Карманный pH метр Kelilong PH-061 для измерения щелочи и кислоты

Забота о здоровье – обязанность всех и каждого, и одним из ключевых условий хорошего самочувствия является качество питьевой воды. В присутствии в воде вредных химических примесей происходит нарушение её кислотно-щелочного баланса, что вызывает изменение уровня рН. Для постоянного контроля плотности свободных ионов водорода, или, другими словами, уровня рН, производитель Kelilong предлагает портативный прибор PH-061 – рН метр, с которым вы будете всегда уверены в качестве питьевой воды.  

Если в водной среде содержание ионов будет снижено (рН больше 7), то реакция воды будет определяться как щелочная, а если рН соответственно, меньше 7, то есть, содержание ионов слишком высоко, то водная среда будет считаться кислой. Соответственно, идеальная по своей чистоте вода продемонстрирует значение рН, равное семёрке.

Различия понятий рН, кислотности и щелочности

Нередко новички считают, что параметр рН – нечто то же самое, что и щелочность и кислотность жидкости. Однако есть важное отличие: рН определяет не количество, а интенсивность кислотности и щелочности, а последние отражают именно количество в водной среде веществ, которые могут нейтрализовать кислоты и щелочи. Это как зная температуру воды мы сможем сказать о том, холодная она или тёплая, однако не скажем, как долго по времени эта вода будет поддерживать холод или тепло.

Сферы использование тестера рН РН-061 и его роль в водоочистных мероприятиях

Сегодня пожалуй ни одна индустрия не обходится без участия воды. Однако есть те сферы, где использование РН-61 имеет особую важность – это, например, гидропонные системы и аквариумистика, ведь не только люди, но и многие растения и живые организмы требуют определённого уровня рН в водной среде. Другим ярким примером можно назвать химическую промышленность, в частности, производство синтетических моющих средств и средств по уходу за кожей. Также для кожи человека далеко не безразлично, какого качества будет вода в плавательном бассейне.

Подобных примеров существует великое множество. Но наибольшее значение придаётся контролю рН в процессе водоочистки. Ведь отклонения в любую из сторон чреваты изменением запаха, появлением неприятного привкуса, ухудшением внешнего вида воды, что пагубно сказывается на эффективности процесса водоочистки и водоподготовки. Так, при низком рН водная среда будет характеризоваться повышенной коррозионной активностью, а повышенные показатели формируют характерную мылкость и специфический запах. Оптимальным же для питьевой и бытовой воды принято считать диапазон 6-9.  

Измерение pH | Что измеряет pH?

Измерение pH является важным параметром почти в каждом приложении для контроля качества воды. При очистке сточных вод pH регулируется в рамках разрешений на сброс, и многие процессы очистки зависят от pH. При отборе проб и мониторинге окружающей среды высокие или низкие значения pH могут свидетельствовать о загрязнении.

Уровень pH важен в пищевой промышленности, так как он влияет на вкус (кислотный = свежий, нейтральный = мягкий и щелочной = несъедобный) и сохранность пищевых продуктов. В биотехнологии необходимо тщательно контролировать рН во время производства растворов для иммуноанализа. Это лишь некоторые из многих областей применения, в которых pH является ценным измерением.

Образование иона водорода

pH описывает, насколько кислым или щелочным является раствор. Реагирует ли водный раствор как кислота или как основание, зависит от содержания в нем ионов водорода (H ⁺ ). На самом деле термин «рН» происходит от латинского и является аббревиатурой от «potentia hydrogenii» — сила водорода.

Даже химически чистая, нейтральная вода содержит ионы водорода из-за автодиссоциации воды [1]. В этом процессе молекулы воды распадаются на более простые составляющие (т. е. ионы).

[1]          H ₂ O    ⇔        H ⁺ + OH ^—

В этой реакции H ₂ O депротонируется (т.е. теряет протон). Это приводит к образованию положительно заряженного иона водорода (H ⁺ ) и отрицательно заряженного гидроксид-иона (OH ^—). Ион водорода обычно используется для обозначения протона.

Ион водорода недолго остается свободным протоном, так как быстро гидратируется окружающей неионизированной молекулой воды. Образование образующегося иона, иона гидроксония, представлено уравнением [2]:

[2]           H ₂ O + H ⁺      ⇔     H ₃ O ⁺

Диссоциация воды и образование иона гидроксония.

В равновесных условиях (750 мм рт. ст. и 25 °C) 1 л чистой нейтральной воды содержит 10 ^-7 моль H ⁺ и 10 ^-7 моль OH ^— ионов.

Определение кислот и оснований

Кислоты – это вещества, выделяющие ионы водорода (т.е. протоны), поэтому раствор считается кислым, если он содержит больше ионов водорода, чем нейтральная вода.

Основания – это вещества, принимающие ионы водорода. Когда основания растворяются в воде, они связываются с некоторыми ионами водорода, образующимися при диссоциации воды. Основные растворы содержат меньше ионов водорода, чем нейтральная вода.

Водные растворы считаются кислыми, если они содержат более 10 ^-7 моль/л ионов водорода, и основными, если они содержат менее 10 ^-7 моль/л ионов водорода при 25 °C.

Кислоты и основания нейтрализуют друг друга, что приводит к образованию воды и соли. Примером может служить реакция гидроксида натрия (NaOH) и соляной кислоты (HCl) в уравнении [3] ниже:

[3]           NaOH + HCl     ⇔     NaCl + H ₂ O

Реакция между кислотой и основанием включает перенос протонов. В приведенной выше кислотно-основной реакции протон отдается от HCl (кислота) NaOH (основание) с образованием хлорида натрия (NaCl) и воды.

Хлорид натрия в виде морской соли.

Является ли рН измерением концентрации ионов водорода или активности ионов водорода?

Ионы несут положительный (например, H ⁺ ) или отрицательный (например, OH ^— ) плата. В качестве носителей заряда все растворенные ионы воздействуют электрическими силами на свое окружение. В то время как раствор может быть электрически нейтральным в макроскопическом масштабе, воздействие ионов может быть резким в микроскопическом масштабе.

Растворы с относительно высокой концентрацией ионов могут давать необычно низкую концентрацию ионов. Поэтому растворы начинают вести себя так, как будто часть ионов больше не присутствует. Эта кажущаяся потеря ионов вызвана взаимодействием ионов в растворе, что в конечном итоге приводит к значительным отклонениям от идеального поведения. Чтобы принять во внимание это взаимодействие, необходимо учитывать активность ионов, также известную как эффективная концентрация ионов, а не концентрацию ионов. Таким образом, pH является мерой активности ионов водорода.

[Читать сообщение в блоге: Является ли рН измерением концентрации ионов водорода или активности ионов?]

Почему шкала рН логарифмическая?

Шкала рН обычно используется для представления активности ионов водорода. По шкале pH значения pH ниже 7 представляют собой кислые растворы (активность ионов водорода больше, чем активность ионов гидроксида), а значения выше 7 представляют собой щелочные растворы. При pH = 7 активность ионов водорода и гидроксид-ионов одинакова.

Как видно из таблицы 1, возможный диапазон активности ионов водорода (H ⁺ ) и гидроксида (OH ^— ) может охватывать многие порядки величины. Чтобы легко управлять и представлять широкий спектр активности ионов, используется логарифмическая шкала рН.

Активность ионов водорода и гидроксид-ионов по шкале pH.

Изменение по шкале pH на 1,0 единицы pH указывает на то, что активность ионов водорода отличается на порядок (т.е. в 10 раз). Например, активность ионов водорода при рН 4 в 10 раз больше, чем при рН 5.

Из-за логарифмической природы шкалы pH неправильно просто усреднять значения pH и сообщать о них. Вместо этого более целесообразно сообщать среднее значение рН или указывать диапазон наблюдаемых значений рН.

Уравнение [4] представляет собой определение рН по отрицательному логарифмическому основанию 10 активности ионов водорода.

[4]          pH = -lg a _H ⁺

значения pH предметов повседневного обихода.

[Читать сообщение в блоге: Почему шкала pH логарифмическая?]

Методы измерения pH – pH-метр и pH-полоски

Для измерения активности ионов водорода в растворе можно использовать визуальные, фотометрические и потенциометрические методы. Визуальные и фотометрические методы основаны на изменении цвета конкретных органических пигментов для определения рН. Визуальные методы дополняются визуальными индикаторами, такими как тест-полоски для определения pH, в то время как фотометрическое определение включает в себя просветление образца и измерение абсорбции.

Применение визуального или фотометрического определения pH ограничено. Измерения будут ненадежными, если измеряемый раствор мутный или имеет характерный цвет. Некоторые измерительные растворы также содержат химические связи, которые разрушают цветовые индикаторы в результате окисления или восстановления и дают неверные результаты.

Хотя индикаторные полоски pH могут быть полезными, они не так надежны, как pH-электрод.

Потенциометрические методы определяют рН, используя электрический потенциал рН-чувствительных электродов в качестве измерительного сигнала, который затем отображается рН-метром. Недостатки визуальных и фотометрических методов отсутствуют у потенциометрических методов, поскольку потенциометрические датчики очень чувствительны, избирательны и могут использоваться практически в любых приложениях.

Как работает pH-электрод?

Различают водородные, металлические (например, сурьмяные) и стеклянные потенциометрические электроды, при этом стеклянный pH-электрод является наиболее часто используемым датчиком pH. Для получения более подробной информации о водородных и металлических электродах ознакомьтесь с справочником YSI pH!

Стеклянный датчик pH является примером электрода i на s по выбору e (ISE). Эта система состоит из ISE, реагирующего на ион особого типа, в данном случае на ион водорода, и электрода сравнения, которые совместно погружаются в измеряемый образец.

pH-электрод технически является электродом, селективным к ионам водорода (ISE). Единственное существенное различие между рН-электродом и нитратным ИСЭ заключается в используемой мембране.

Водородный ISE обеспечивает электрохимический потенциал (например, сигнал), на который влияет активность ионов водорода в растворе. Однако электрод сравнения поддерживает электрохимический потенциал, не зависящий от состава образца. Разница между этими потенциалами, напряжение (мВ), отображаемое на рН-метре, определяет значение рН на основе уравнения Нернста.

Важность уравнения Нернста

Уравнение Нернста устанавливает зависимость между измеренным напряжением и активностью ионов в растворе. Наклон электрода для изменения одной единицы рН может быть описан частью уравнения Нернста, называемой наклоном Нернста (S).

[5]           S = -2,303 RT/нФ

Переменные R и F являются константами и поэтому не представляют особого интереса. Поскольку наклон электрода (то есть отклик электрода) зависит от температуры (T) раствора, очень важно, чтобы измерения pH завершались точным измерением температуры. теоретический Наклон Нернста при 25 ^o C составляет -59,16 мВ. Переменная n означает заряд иона, который равен +1 для иона водорода (H ⁺ ).

Конструкция рН-электрода

Основными компонентами стеклянного рН-электрода являются корпус электрода, рН-чувствительная стеклянная мембрана, электрод сравнения (т. е. система сравнения), электролит сравнения и спай сравнения.

Конструкция типичного комбинированного рН-электрода со стеклянным корпусом.

Корпус pH-электрода

Термин «стеклянный электрод» не указывает на материал, из которого изготовлен корпус электрода, поскольку электроды могут иметь пластиковый или стеклянный корпус электрода. Скорее, «стеклянный электрод» используется для описания материала мембраны (т. е. стеклянной мембраны).

Электроды с пластиковым корпусом более прочные и менее склонны к растрескиванию, чем стеклянные, в то время как стеклянные электроды обычно имеют более широкий диапазон рабочих температур. Стеклянные электроды также обычно многоразового использования.

Портативный прибор YSI ProDSS оснащен сменными пластиковыми модулями датчиков pH и pH/ОВП, а остальная часть корпуса датчика изготовлена ​​из титана для обеспечения дополнительной защиты в полевых условиях.

Стеклянная рН-мембрана

В стеклянном рН-электроде вплавляется стеклянная мембрана в качестве датчика рН. Эта мембрана заполнена буферным раствором с известным рН (обычно рН = 7). Такая конструкция электрода создает среду с постоянным связыванием ионов H ⁺ на внутренней стороне стеклянной мембраны, в то время как внешняя часть стеклянной мембраны подвергается воздействию образца, в котором переменное количество H ⁺ ионов существуют. Разница в ионах H ⁺ создает потенциал, который считывается относительно стабильного потенциала электрода сравнения.

Для обеспечения оптимального увлажнения стеклянной мембраны форма мембраны может варьироваться. Мембраны сферической и конической формы могут использоваться для большинства приложений, но для уникальных приложений могут потребоваться специальные мембраны, такие как мембрана с наконечником копья для проникновения в полутвердые среды и плоская мембрана для поверхностных измерений.

YSI TruLine 21 (мембрана с остроконечным наконечником) и YSI TruLine 27 (плоская мембрана). Формы и свойства стеклянных pH-мембран.

Типы электродов сравнения

Электрод/система сравнения и водородный ИСЭ (т. е. электрод со стеклянной мембраной) могут быть отдельными электродами или для удобства их можно объединить в один электрод. Комбинированный электрод очень распространен.

Независимо от конструкции электрода или типа используемой системы сравнения электрод сравнения погружается в электролит сравнения (обычно KCl).

В настоящее время наиболее распространенным типом электрода сравнения является система серебро/хлорид серебра (Ag/AgCl). Поскольку серебро не токсично для человека, электроды Ag/AgCl также можно использовать в медицине и пищевой промышленности, где запрещены системы с ядовитой ртутью и таллием. Утилизация Ag/AgCl также менее критична, чем таллия и ртути. Ag/AgCl имеет широкий диапазон применения в зависимости от температуры (до 140 °C) и поэтому также подходит для стерилизуемых электродов. Большинство электродов имеют систему сравнения Ag/AgCl.

Недавно была разработана система йод/йодид, относительно новая эталонная система с малым временем отклика. По сравнению с обычными электродами с системами сравнения Ag/AgCl, электроды с системами сравнения йода/йодида имеют преимущество гораздо более низкой температурной чувствительности, так как температурный коэффициент этой системы сравнения почти равен нулю.

Система йод/йодид также не содержит ионов металлов, что особенно полезно при измерении в Трис-буфере и белковых растворах. Эталонные системы с ионами металлов (например, Ag/AgCl) будут взаимодействовать с этими растворами, что в конечном итоге приведет к засорению эталонного спая.

[Читать сообщение в блоге: Анатомия рН-электродов]

рН-электрод YSI IoLine оснащен эталонной системой йод/йодид.

Электролит сравнения Функция и свойства

Электролит сравнения имеет связь с образцом через переход, так как он служит для замыкания электрической цепи в электроде.

Хороший эталонный электролит должен обладать определенными качествами. Эталонный электролит должен иметь хорошую электропроводность и быть химически нейтральным. Поскольку некоторое количество электролита обычно просачивается в образец во время измерения, также важно, чтобы электролит не вступал в реакцию с измеряемым раствором.

Ионы раствора электролита также должны быть одинаково подвижны. Если ионы в растворе электролита диффундируют с разной скоростью, то за счет разделения положительного и отрицательного заряда может образоваться электрический потенциал ( диффузионный потенциал ). Этот нежелательный потенциал может быть проблематичным при измерении pH. Для некоторых ионов (например, K ⁺ и Cl ^— ) разница в скорости диффузии невелика, что приводит к гораздо меньшему диффузионному потенциалу.

Хлорид калия (KCl) обладает всеми этими качествами. В результате KCl является наиболее часто используемым раствором электролита.

Жидкий, гель и полимерный электролит

Электроды могут иметь гель, полимер или жидкий электролит. pH-электроды с жидким электролитом обычно можно заправлять, что продлевает срок службы электрода. В отличие от электрода с гелевым электролитом, жидкий электролит можно легко слить и заменить в случае его загрязнения.

При использовании многоразового электрода (например, TruLine pH 15) важно помнить, что отверстие для заполнения всегда должно быть открыто во время калибровки и измерения! Также убедитесь, что уровень электролита не менее чем на 2 см выше уровня калибровочного и/или измерительного раствора.

Отверстие для заправки многоразовых лабораторных электродов всегда должно быть открыто при измерении или калибровке.

Время отклика обычно меньше при использовании многоразовых электродов. Также электроды с жидким электролитом имеют меньше ограничений по области применения, так как гелевые и полимерные электролиты обладают меньшей устойчивостью к температуре и температурным перепадам. В отличие от электродов с жидким электролитом невероятно малая скорость истечения гелевого и полимерного электролита в сильнокислых, щелочных и слабоионных растворах может привести к ошибкам измерения из-за образования диффузионных потенциалов.

Иногда можно использовать другой электролит, соответствующий требованиям приложения для отбора проб. Например, если требуется электролит, полностью не содержащий хлоридов (т. е. не KCl), с YSI IoLine можно использовать другой мостовой электролит, например, 0,6 М сульфата калия (K ₂ SO ₄ ).

Гелевый электролит по-прежнему состоит из KCl, но добавлен гелеобразующий агент, чтобы предотвратить легкое просачивание электролита в образец через холодовой спай во время измерения. Так как потери электролита практически отсутствуют, такие электроды проще в обслуживании, так как нет необходимости доливать их электролитом. Электроды с гелевым электролитом, поскольку их нельзя заправлять, имеют меньший срок службы, чем электроды с жидким электролитом.

Электрод YSI TruLine pH 25 имеет гелевый электролит и пластиковый корпус.

Полимерный электролит является твердым и может напрямую контактировать с образцом во время измерения. Из-за отсутствия оттока электролита подвижность всех ионов сильно ограничена. Это приводит к отсутствию осаждения серебра на стыке и делает практически невозможной диффузию посторонних ионов в электрод.

Эталонный спай pH

Эталонный спай, также известный как диафрагма, создает электрический контакт между эталонной системой и раствором. Подобно эталонному электролиту, эталонный спай должен обладать определенными свойствами.

Диффузионные напряжения на переходе являются распространенной ошибкой измерения, поэтому переход играет важную роль в точности измерений. Чтобы эти разрушающие потенциалы были небольшими, переход должен гарантировать относительно большой и постоянный отток эталонного электролита. Однако соединение должно быть лишь слегка проницаемым, чтобы предотвратить слишком быструю утечку электролита, что особенно важно для электродов, использующих жидкий электролит. Разные типы соединений имеют разную скорость истечения электролита.

В дополнение к проницаемости соединения, его электрическое сопротивление должно быть как можно ниже, и он должен быть химически инертным.

Типы эталонных соединений

Существует несколько типов соединений, каждый из которых имеет уникальные характеристики.

Типы узлов сравнения.

Керамика

В керамическом соединении используется пористость неглазурованной керамики. Керамические соединения имеют скорость истечения KCl ~ 0,2 мл / день и относительно высокое электрическое сопротивление (1 кОм). Диффузионные потенциалы легко создаются в измерительных растворах с большей ионной силой, поскольку градиент концентрации на стыке очень велик. В растворах с более низкой ионной силой сопротивление испытуемого материала может быть слишком высоким для точных измерений. Оба эффекта усиливаются низкой скоростью истечения, поэтому керамические соединения в таких случаях менее подходят. Из-за высокого риска закупорки его пор он также не подходит для растворов, содержащих взвешенные частицы.

Платина

Платиновый переход состоит из тонких скрученных платиновых нитей, между которыми электролит вытекает по точно определенным каналам. Платиновый переход имеет очень постоянный отток и не может быть легко заблокирован. При скорости истечения ~1 мл/сут и электрическом сопротивлении ~0,5 кОм имеет преимущества перед керамическими переходами. Платиновый переход более чувствителен к механическим воздействиям, а также менее чем оптимален для сильно окисляющих или восстановительных растворов из-за возникновения разрушающих потенциалов. Однако платиновый переход можно использовать практически повсеместно.

Электрод YSI TruLine pH 17 имеет платиновый спай.

Шлифованное соединение

Шлифованное соединение работает с тонким зазором несмазанного матового стекла в качестве выпускного отверстия для электролита. Скорость оттока ~ 3 мл/сут и более. Он имеет очень низкое электрическое сопротивление (0,1 кОм). Соединение заземления подходит для измерений в загрязненных растворах, так как его легко чистить. Благодаря высокой скорости оттока он подходит как для растворов с высоким, так и с низким содержанием ионов. Мы обычно рекомендуем Science pHT-G, когда в образце много взвешенных частиц.

Электрод YSI Science pHT-G имеет функцию заземления с быстрым оттоком электролита. Эта скорость истечения поддерживает чистоту соединения и обеспечивает быстрые результаты измерений.

Дополнительные эталонные соединения

Дополнительные соединения могут использоваться для предотвращения загрязнения эталонной системы. В этой конструкции электрод сравнения погружен в раствор электролита внутри дополнительной камеры. Эта дополнительная камера действует как дополнительный барьер против загрязнения, в то время как дополнительные соединения используются для обеспечения контакта эталонной системы с измеряемым раствором. Эталонная система все еще может быть загрязнена измерительным раствором, но раствор должен сначала диффундировать через дополнительные соединения.

[Прочитайте сообщение в блоге: Анатомия pH-электродов, чтобы узнать больше о холодных спаях]

Выбор правильного электрода

В настоящее время не существует рН-электрода, который можно было бы использовать для всех возможных применений, поскольку существуют разные требования для различных Приложения.

Есть много разных приложений, особенно в лаборатории! Для уникальных применений может потребоваться особый материал вала, эталонная система, тип соединения, количество соединений, эталонный электролит и/или форма мембраны. В связи с широким ассортиментом лабораторных рН-электродов мы рекомендуем вам ознакомиться с Руководством по выбору рН-электродов YSI и Руководством по применению рН-электродов YSI при поиске следующего лабораторного электрода!

Задать вопрос

Важность температуры

Переменной в уравнении Нернста является температура, поэтому отклик (т.е. наклон) рН-электрода зависит от температуры. Поэтому измерения pH должны быть завершены точным измерением температуры.

Значения pH буферных растворов зависят от температуры, и реакция может варьироваться от производителя к производителю. Как правило, основные буферные растворы проявляют более сильное температурное воздействие, чем кислые. Современные рН-метры автоматически настраиваются на соответствующий температурный профиль после правильной настройки используемого набора буферов.

YSI всегда рекомендует точно измерять температуру при измерении pH. Некоторые pH-электроды имеют встроенный датчик температуры, но также доступны внешние датчики температуры (например, ScienceLine Temp 135 и ScienceLine Temp 136), если pH-электрод не имеет встроенного датчика температуры.

pH Буферные растворы

Буферы представляют собой водные растворы, pH которых остается практически неизменным при добавлении небольших количеств кислот или оснований. Буферные растворы способны связывать ионы водорода при добавлении кислот и отщеплять ионы водорода при добавлении оснований.

Буферные растворы часто окрашивают, чтобы четко отличать их друг от друга во время калибровки.

Состав буферных растворов зависит от производителя. При выборе набора буферов необходимо следить за тем, чтобы они были изготовлены в соответствии с формулой, установленной Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). Эти буферы имеют значения рН 4,01, 6,86 и 9,18. В качестве альтернативы для использования при калибровке достаточно отслеживаемых буферов NIST. Буферы YSI отслеживаются NIST и предлагаются со значениями pH 4, 7 и 10.

Ознакомьтесь с Руководством по калибровке pH-электрода YSI, чтобы получить несколько практических советов по калибровке!

Что делает калибровка?

Калибровка pH выполняет две функции: 1.) устанавливает новый наклон электрода на основе ранее обсужденного уравнения Нернста и 2.) устанавливает нулевую точку. Поскольку оба эти параметра могут меняться со временем, необходима частая калибровка.

Нулевая точка, также известная как потенциал/точка асимметрии, обычно представляет собой значение в милливольтах, когда электрод помещен в буферный раствор с pH 7. Неудивительно, что теоретическая нулевая точка равна 0 мВ. Это верно, потому что электрод сравнения обычно находится в растворе электролита с pH 7. Если электрод сравнения и чувствительный электрод находятся в растворе с одинаковым pH, должно быть теоретически не имеют разницы в их потенциалах, что приводит к отображению 0 мВ на рН-метре. Новый электрод будет иметь потенциал асимметрии, который обычно составляет всего несколько мВ, если он был тщательно подготовлен.

Нулевая точка полезна при определении рабочего состояния электрода. Если точка асимметрии начинает дрейфовать слишком далеко от нуля, может потребоваться очистка, обслуживание или замена электрода. Точка асимметрии будет изменяться по мере старения электрода, поэтому рекомендуется регулярная калибровка, которая будет требоваться чаще по мере старения электрода, чтобы компенсировать эти изменения.

Как часто следует выполнять калибровку?

Пожалуй, самый распространенный вопрос, касающийся калибровки, заключается в том, как часто ее следует выполнять. Частота последующих калибровок зависит от приложения. Для некоторых приложений требуется ежедневная калибровка, в то время как для других может потребоваться только еженедельная или ежемесячная калибровка. Если возможно, лучше всего проводить калибровку в начале каждого дня.

[Читать сообщение в блоге: Проблемы с калибровкой измерения pH? Ознакомьтесь с этими 12 советами]

Более частая калибровка необходима при измерении в сильно загрязненных образцах или образцах с низким содержанием ионов. pH-электроды, используемые в сильнокислотных и высокотемпературных средах, также нуждаются в более частой калибровке, так как эти электроды изнашиваются намного быстрее, что приводит к более медленному отклику, изменению наклона электрода и смещению нулевой точки.

Сколько точек калибровки следует использовать?

Часто обсуждается количество точек калибровки. Большинство лабораторных и полевых приборов допускают калибровку с использованием до 3 буферов.

Калибровка может быть завершена после одного буфера, что приведет к завершению калибровки по одной точке. Нулевая точка определяется во время одноточечной калибровки, а используемый наклон электрода представляет собой теоретический наклон Нернста (-59,16 мВ/pH при 25 °C). Следует отметить, что одноточечную калибровку необходимо выполнять с использованием буфера с pH 7.

Диапазон использования одноточечной калибровки ограничен, поскольку электрод, откалиброванный по одной точке (т. е. pH 7), следует использовать только для измерения в диапазоне от 6,5 pH до 7,5 pH. Полученное значение pH можно использовать для сравнения с ранее полученными результатами измерений, но оно не является абсолютным значением.

Лучше всего выполнить калибровку по крайней мере по двум точкам, используя буфер pH 7 в качестве одной из этих точек (6,86 для набора буферов NIST). Хотя для многих инструментов это не требуется, лучше всего начинать с буфера pH 7. Для двухточечной калибровки используемые буферы pH должны отличаться как минимум на две единицы pH и должны соответствовать ожидаемым условиям pH in situ. Если не ожидается, что образец будет иметь pH выше 7, не следует использовать основные буферы, так как их значение pH изменяется при поглощении CO ₂ .

Калибровка по трем точкам обычно выполняется, когда условия pH образца не совсем понятны. Асимметрия и наклон определяются как для двух-, так и для трехточечной калибровки.

Что такое эффективность электрода?

После калибровки рН-метры обычно отображают наклон электрода в мВ/рН (т. е. наклон Нернста), в процентах или в обоих значениях. Нас часто спрашивают, что на самом деле означает этот процент, называемый эффективностью электрода.

Эффективность электрода — это просто процент от теоретического наклона Нернста (-59,16 мВ/pH).

[6]           Эффективность электрода = (наблюдаемый наклон / теоретический наклон) * 100

Например, если во время калибровки было определено, что наклон составляет -57,10 мВ/рН, эффективность будет равна 96,52%.

Хотите узнать больше о рН? Ознакомьтесь со следующими ресурсами!

Полезные ссылки — Справочники и руководства

Справочник YSI pH

Руководство по выбору лабораторного рН-электрода

Руководство по применению лабораторного рН-электрода

Руководство по калибровке лабораторного и полевого рН-электрода

Важность измерения рН производственный процесс.

Измерение качества поступающей и сточной воды является важным элементом определения эффективности каждого процесса, поддержания общего качества и обеспечения того, чтобы процессы соответствовали строгим нормативным стандартам, регулирующим их.

Одним из ключевых показателей обеспечения соблюдения этих стандартов является измерение и анализ уровня pH. Хотя измерение pH обычно ассоциируется с отраслью водоподготовки, на самом деле оно играет жизненно важную роль в широком спектре отраслей. Например, в пищевой промышленности это может повлиять на вкусовые качества продукта и его характеристики сохранности. В других секторах, таких как текстильная, целлюлозно-бумажная промышленность и сельское хозяйство, измерение pH также может играть ключевую роль.

Что такое рН? A Quick Refresher

pH описывает водородный потенциал вещества или, другими словами, концентрацию ионов водорода в растворе. Его выражают с помощью шкалы рН, по которой растворы оцениваются от 0 до 14. Кислым считается раствор с рН менее 0–6 (т. е. с большим количеством ионов водорода), а с рН 8–14 ( т. е. малое количество ионов водорода) является основным. Раствор с pH 7, что эквивалентно чистой воде при 25°C, считается нейтральным по шкале.

Почему pH важен?

Шкала pH является логарифмической, поэтому небольшие изменения значения pH на практике могут приравниваться к гораздо большим изменениям. Например, раствор с рН 4 в 10 раз более кислый, чем раствор с рН 5, и в 100 раз более кислый, чем раствор с рН 6. дрейф может оказать существенное влияние на качество продукции, а также на эффективность и безопасность процесса как для рабочих, так и для конечных потребителей.

Очистка питьевой воды и сточных вод является одним из наиболее распространенных применений, где используется измерение pH. Вода в нижней части шкалы pH может повредить трубы и краны, позволяя токсичным веществам просачиваться в систему водоснабжения. Если уровень pH слишком высок, это может вызвать неприятный вкус. При очистке сточных вод необходимо контролировать уровень pH, чтобы обеспечить оптимальные условия для достижения необходимых химических или микробных реакций и обеспечить эффективность процесса.

При производстве пищевых продуктов и напитков уровни pH имеют жизненно важное значение для создания правильных физических и химических реакций, обеспечивающих приятный и стабильный вкус продуктов. Управление такими ингредиентами, как дрожжи и плесень, которые ведут себя по-разному при разных уровнях pH, имеет решающее значение для обеспечения качества конечного продукта, а также для предотвращения развития нежелательных патогенов. Уровни pH воды, используемой для промывки, также должны регулироваться для обеспечения ее безопасности.

В текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности определенные значения pH влияют на цвет и способность красителей к выцветанию, в то время как сточные воды, образующиеся в процессе производства бумаги, могут содержать частицы, которые могут повредить оборудование, если им позволить накапливаться с течением времени.

Сельское хозяйство — еще одна отрасль, требующая тщательного контроля уровня pH, поскольку он является важным фактором, обеспечивающим надлежащие условия почвы для роста растений. Если pH выходит за пределы оптимального диапазона, его необходимо изменить, добавив кислый (например, самородную серу) или щелочной (например, известь) материал. Оптимальные условия будут зависеть от типа выращиваемой культуры.

В нефтегазовой промышленности измерения pH используются в ряде приложений, например, для обеспечения оптимизации процесса разделения, используемого при обессоливании, а также для снижения вероятности коррозии сточных вод.

Как измеряется pH?

Чтобы контролировать уровень pH в процессе, вы должны сначала уметь его измерять. Существует несколько методов измерения pH, от простых растворов, таких как индикаторная бумага, до более сложных и точных электрохимических методов, включая цифровые датчики и трансмиттеры.

Наиболее часто используемые типы цифровых измерений включают два электрода — стеклянный измерительный электрод и электрод сравнения, — через которые проходит измеряемый раствор. Электроды будут генерировать между собой разность потенциалов, которая прямо пропорциональна уровню pH раствора, обеспечивая точное значение pH. Современные измерительные системы могут обеспечивать непрерывные измерения, в то же время все чаще добавляя дополнительные функции, специально предназначенные для промышленных приложений, такие как совместимость с полевой шиной и взрывозащищенное исполнение.

Выбор правильного датчика

Очевидно, что подходящий датчик будет варьироваться от приложения к приложению, при этом необходимо учитывать ряд факторов. Где будет установлен датчик? Каковы характеристики измеряемого раствора? Можно ли легко получить доступ к датчику для обслуживания или доливки электролита?

pH-электроды изготовлены из специального стекла, состоящего из ионов щелочных металлов. Эти ионы реагируют с ионами водорода в растворе, создавая разность потенциалов, которая, в свою очередь, приводит к измерению pH. Доступна различная стеклянная посуда для низких или высоких температур или с повышенной устойчивостью к кислоте и/или волокнистым отложениям.

Датчики pH, как правило, хрупкие и имеют ограниченный срок службы. Требовательный характер многих приложений для измерения pH может сказаться даже на самых прочных датчиках pH. Известно, что срок службы электрода трудно предсказать — отказы сенсора могут происходить медленно, например постепенное отравление электрода сравнения, или они могут возникать внезапно, как в случае поломки pH-электрода. Современные датчики теперь включают интеллектуальную диагностику для увеличения срока службы электродов, что позволяет операторам получать ранние предупреждения об отравлении электродов или других проблемах до того, как они перерастут в отказы.

Изменение температуры образца является одной из наиболее распространенных причин ошибок измерения pH. Датчик с температурной компенсацией может повысить точность. В датчиках ABB, например, это достигается за счет совместного размещения электрода pH, электрода сравнения и встроенного датчика температуры на конце электрода, что повышает качество измерений для приложений с переменной температурой пробы, а также снижает затраты на калибровку.

Надежность и эффективность датчика, безусловно, важны, но анализ полученных данных также является ключевой частью процесса обнаружения. Такие разработки, как собственная технология подключения датчиков ABB EZLink, позволяют подключать датчики по принципу plug-and-play, упрощая подключение и настройку датчика к преобразователю. Это сокращает время установки и обеспечивает минимизацию электрических помех для максимальной мощности сигнала. Цифровой выход устраняет необходимость в кабеле с высоким импедансом, позволяя увеличить расстояние между датчиком и преобразователем без ущерба для точности.

При таком количестве переменных выбор правильного датчика может показаться сложным. Чтобы решить эту проблему, компания АББ разделила свой ассортимент датчиков на три группы, ориентированные на приложения. Первая из этих групп включает электроды начального уровня для общих процессов или приложений с низкой проводимостью. Вторая группа включает более прочные электроды для тяжелых процессов, повышенную стойкость к отравлению и сертификацию ATEX/IECEx для использования во взрывоопасных зонах, таких как нефтехимические и химические процессы.