Устройство рН—метра. Рабочие измерительные электроды

Принципиальное устройство рН—метра показано на рис. 4.56.

Рис. 4.56. Устройство рН-метра.

В колбу 1 налит испытуемый раствор. Так как необходимо измерять концентрацию ионов водорода, то согласно принци­пу действия гальванических преобразователей и электрод дол­жен быть выполнен из водорода. Но, поскольку водород яв­ляется газом и выполнить электрод из него невозможно, поль­зуются способностью водорода адсорбироваться на поверхно­сти платины. Измерительный (водородный) электрод предcтавляет собой пластинку 2 из черненой платины, которая об­текается непрерывно поступающим через трубку 3 водородом. Водород выходит через отверстие 4. От платиновой пластинки отходит вывод 5 в измерительную цепь.

Для получения второго потенциала колба с испытуемым раствором соединяется через электролитический ключ 6 со вторым образцовым полуэлементом 7. Электролитический ключ представляет собой трубку, закрытую полупроницаемы­ми пробками 8, и заполненную насыщенным раствором КС1; такое соединение сильно снижает диффузионный потенциал, вносящий погрешность в измерения.

В качестве образцового полуэлемента чаще всего исполь­зуют каломельный полуэлемент, металлом которого является ртуть, ионы которой получают из раствора каломели Hg₂Cl₂. Концентрация электролита КС1 определяет потенциал ртути, который равен 0,24 в (при насыщенном растворе КС1).

Кроме каломельного, используются также хлорсеребряный, бромсеребряный и другие образцовые элементы.

Рис. 4.57. pH-метр рН-410

Современный компактный микропроцессорный рН-метр рН-410 (рис. 4.57) предназначен для измерения активности ионов водорода (рН), окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и температуры водных растворов.

Технические характеристики. Диапазон рН от 0 до 14; может использоваться как в стационарных, так и в передвижных лабораториях; дискретность измерения рН 0,01; диапазон измерения ЭДС, мВ — от -1999 до +1999; диапазон измерения температуры от -10 °C до 100 °C; дискретность измерения температуры 0,1°C; совместим с электродами большинства отечественных и зарубежных производителей (разъем BNC), в том числе с комбинированными; полуавтоматическая калибровка: значения рН стандартных буферных растворов уже внесены в память прибора; ЖК-дисплей и удобная клавиатура; габариты см: 18 x 8,5 x 5,5; масса 320 г.

Применение водородного электрода в производстве обычно неудобно, так как связано с подачей газообразного водорода. Поэтому на практике большое распространение получил стек­лянный электрод
(рис. 6.58.).

Рис. 6.58. Стек­лянный электрод.

Стеклянный электрод представляет собой шаровую тонко­стенную колбочку 1, выдуваемую на конце трубки из спе­циальных электропроводных сортов стекла. Толщина стенки-­колбочки равна
0,05—0,1 мм.

Колбочка заполняется контрольным (нормальным) раство­ром какой-либо соли или кислоты с известным рН и погру­жается в исследуемый раствор.

На границе стекло-раствор появляется определенный по­тенциал, зависящий от концентрации водородных ионов рас­твора, в который погружен стеклянный электрод.

При работе используются обе поверхности стеклянного электрода, так как снять потенциал с одной только поверхно­сти невозможно (невозможно включить поверхность стекла в электрическую цепь). Внутрь колбочки 3, заполненной образ­цовым раствором, вставляется вспомогательный электрод 3 (обычно хлорсеребряный), с которого снимается потенциал стеклянного электрода.

Если в испытуемый раствор поместить каломельный полу­элемент, то э.д.с. на выводах преобразователя будет являть­ся алгебраической суммой э.д.с. хлорсеребряного полуэле­мента, внутренней поверхности, наружной поверхности стек­лянного электрода И каломельного полуэлемента. Так как при изменении рН исследуемого раствора будет изменяться толь­ко потенциал наружной поверхности электрода, а все осталь­ные составляющие э.д.с., останутся неизменными, то изме­ряя э.д.с. на выводах преобразователя, можно судить о кон­центрации исследуемого раствора.

Потенциал стеклянного электрода изменяется примерно от 0,3 В (при рН»0) до 0,9 В (при рН»10).

Наиболее обоснованное объяснение действия стеклянного электрода состоит в следующем. При помещении стеклянного электрода в раствор ионы натрия из стекла переходят в рас­твор, а их места замещают ионы водорода из раствора. В ре­зультате этого поверхностный слой стекла оказывается насы­щенным водородными ионами, и стеклянный электрод приоб­ретает свойства водородного электрода. Существуют также хингидронный, сурьмяный электроды.. Градуировка рН—метров производится по образцовым буферным растворам, обладающим высокой стабильностью значений рН (±0,01 рН в диапазоне температур от О
до 95^оС).

Рис. 4.59. Стеклянный электрод для pH метров

Стеклянный электрод, представленный на рис. 4.59. подходит для любых моделей pH метров с разъемом BNC.

Требования к измерительной цепи. Погрешности и применение
рН—метров. Основным требованием, предъявляемым к методу измере­ния э.д.с. рН—метрами, является возможно меньший ток через преобразователь, так как он, во-первых, создает падение напряжения на его внутреннем сопротивлении, вследствие че­го результат занижается, во-вторых, вызывает явление поля­ризации, что также влечет за собой отрицательную погреш­ность. Падение напряжения в преобразователе определяется также его сопротивлением, которое особенно велико в рН— метре со стеклянным электродом (десятки и даже сотни мОм).

Поэтому непосредственное измерение э.д.с. можно осу­ществить лишь с применением электронных усилителей с боль­шим входным сопротивлением - 10⁸—10¹⁰ О м.

Чаще же всего применяют компенсационный метод. Как известно, в момент измерения входное сопротивление компен­сатора практически равно бесконечности.

Наиболее значительной погрешностью рН — метров является температурная погрешность, так как при измерении температуры изменяется э.д.с. измерительных полуэлементов и сопротивление преобразователя (особенно со стеклянным электродом). Для уменьшения температурной погрешности в измерительную цепь вводят элементы температурной компен­сации, например, в виде включения термочувствительного со­противления, помещаемого в раствор.

Кроме того, у гальванических преобразователей может быть погрешность от наличия диффузионных потенциалов, возникающих на границе жидкостных контактов растворов, входящих в электрическую цепь преобразователя. Для умень­шения этой погрешности, как было указано выше, для соедине­ния испытуемого раствора с каломельным полуэлементом при­меняется электролитический ключ с полупроницаемыми проб­ками, заполненный насыщенным раствором КС1.

Как следует из самого принципа действия гальванических преобразователей, они применяются для измерения концентра­ции различных растворов по концентрации водородных ионов. Это дает возможность контролировать технологические процессы в пищевом, бумажном, текстильном, резиновом произ­водствах, в ряде производств химической промышленности и др.