9.6: Вимірювання рН
- Page ID
- 101551
Дуже важливим вимірюванням у багатьох рідких хімічних процесах (промислових, фармацевтичних, виробничих, харчових виробництвах тощо) є вимірювання рН: вимірювання концентрації іонів водню в рідкому розчині. Розчин з низьким значенням рН називають «кислотою», тоді як розчин з високим рН називають «їдким». Загальна шкала рН простягається від 0 (сильна кислота) до 14 (сильна їдка), причому 7 в середині представляє чисту воду (нейтральну):
pH визначається наступним чином: нижня буква «р» в pH означає негативний загальний (основа десять) логарифм, тоді як велика буква «Н» - елемент водень. Таким чином, рН - логарифмічне вимірювання кількості молів іонів водню (H +) на літр розчину. До речі, префікс «p» також використовується для інших типів хімічних вимірювань, де бажана логарифмічна шкала, два таких приклади - pCO2 (вуглекислий газ) та Po2 (кисень).
Логарифмічна шкала рН працює так: розчин з 10 -12 молями іонів Н + на літр має рН 12; розчин з 10 -3 молями іонів Н + на літр має рН 3. Хоча дуже рідко, існує таке поняття, як кислота з вимірюванням рН нижче 0 і їдка з рН вище 14. Такі рішення, зрозуміло, досить концентровані і вкрай реактивні.
Хоча рН можна виміряти змінами кольору в певних хімічних порошках («лакмусова смужка» є знайомим прикладом з класів хімії середньої школи), безперервний моніторинг процесу та контроль рН вимагає більш складного підходу. Найбільш поширеним підходом є використання спеціально підготовленого електрода, призначеного для того, щоб іони водню в розчині мігрували через селективний бар'єр, створюючи вимірну різницю потенціалів (напруги), пропорційну рН розчину:
Конструкція та експлуатаційна теорія pH-електродів - дуже складний предмет, досліджений тут лише коротко. Важливо розуміти, що ці два електроди генерують напругу, прямо пропорційну рН розчину. При рН 7 (нейтраль) електроди будуть видавати між ними 0 вольт. При низькому pH (кислотному) буде розвиватися напруга однієї полярності, а при високому рН (їдкому) буде розвиватися напруга протилежної полярності.
Невдалим конструктивним обмеженням pH-електродів є те, що один з них (званий вимірювальним електродом) повинен бути побудований зі спеціального скла для створення іонселективного бар'єру, необхідного для екранування іонів водню від усіх інших іонів, що плавають навколо в розчині. Це скло хімічно леговане іонами літію, саме це змушує його електрохімічно реагувати на іони водню. Звичайно, скло - це не зовсім те, що ви б назвали «провідником»; скоріше, це надзвичайно хороший ізолятор. Це є серйозною проблемою, якщо ми маємо намір виміряти напругу між двома електродами. Шляхи ланцюга від одного електродного контакту, через скляний бар'єр, через розчин, до іншого електрода і назад через контакт іншого електрода, є одним з надзвичайно високого опору.
Інший електрод (званий еталонним електродом) виготовляється з хімічного розчину нейтрального (7) рН буферного розчину (зазвичай хлористого калію), що дозволяє обмінюватися іонами з технологічним розчином через пористий сепаратор, утворюючи відносно низький опір з'єднання з досліджуваної рідиною. Спочатку можна схилятися запитати: чому б просто не занурити металевий дріт в розчин, щоб отримати електричне з'єднання з рідиною? Причина цього не спрацює, полягає в тому, що метали, як правило, мають високу реакцію в іонних розчинях і можуть виробляти значну напругу на межі інтерфейсу контакту метал-рідина. Використання мокрого хімічного інтерфейсу з вимірюваним розчином необхідно, щоб уникнути створення такої напруги, що, звичайно, буде помилково інтерпретовано будь-яким вимірювальним пристроєм як індикаторне рН.
Ось ілюстрація конструкції вимірювального електрода. Зверніть увагу на тонку, леговану літієм скляну мембрану, через яку генерується напруга рН:
Ось ілюстрація побудови еталонного електрода. Пористий спай, показаний у нижній частині електрода, - це місце, де буфер хлориду калію та технологічна рідина взаємодіють між собою:
Призначення вимірювального електрода - генерувати напругу, яка використовується для вимірювання рН розчину. Ця напруга з'являється по товщині скла, розміщуючи срібний дріт з одного боку напруги, а рідкий розчин - з іншого. Метою опорного електрода є забезпечення стабільного з'єднання з нульовою напругою до рідкого розчину, щоб можна було зробити повну схему для вимірювання напруги скляного електрода. У той час як підключення опорного електрода до досліджуваної рідини може становити лише кілька кілоОм, опір скляного електрода може коливатися від десяти до дев'ятсот мегаом, залежно від конструкції електрода! Оскільки будь-який струм у цьому ланцюзі повинен проходити через опори обох електродів (і опір, представлений самою випробувальною рідиною), ці опори послідовно один з одним і тому додають, щоб зробити ще більшу загальну суму.
Звичайний аналоговий або навіть цифровий вольтметр має занадто низький внутрішній опір, щоб виміряти напругу в такій схемі високого опору. Еквівалентна схема типової схеми зонда pH ілюструє проблему:
Навіть дуже невеликий струм ланцюга, що проходить через високі опори кожного компонента в ланцюзі (особливо скляна мембрана вимірювального електрода), призведе до відносно значних падінь напруги на цих опорах, серйозно зменшуючи напругу, яку бачить лічильник. Ще гірше той факт, що диференціал напруги, що генерується вимірювальним електродом, дуже малий, в мілівольтовому діапазоні (в ідеалі 59,16 мілівольт на одиницю рН при кімнатній температурі). Лічильник, який використовується для цього завдання, повинен бути дуже чутливим і мати надзвичайно високий вхідний опір.
Найпоширенішим рішенням цієї проблеми вимірювання є використання підсиленого лічильника з надзвичайно високим внутрішнім опором для вимірювання напруги електрода, щоб провести якомога менше струму через ланцюг. З сучасними напівпровідниковими компонентами вольтметр з вхідним опором до 10 17 Ом можна побудувати з невеликими труднощами. Інший підхід, який рідко зустрічається в сучасному використанні, полягає у використанні потенціометричної установки вимірювання напруги «нульового балансу» для вимірювання цієї напруги, не витягуючи жодного струму з перевіряється ланцюга. Якщо технік хотів перевірити вихідну напругу між парою електродів pH, це, мабуть, було б найбільш практичним засобом для цього, використовуючи лише стандартне настільне вимірювальне обладнання:
Як завжди, точність подачі напруги буде регулюватися техніком до тих пір, поки нульовий детектор не зареєстрував нуль, тоді вольтметр, підключений паралельно з живленням, буде переглянуто для отримання показань напруги. При «обнуленому» детекторі (реєструючи рівно нуль) в ланцюзі pH-електрода повинен бути нульовий струм, і тому на опорах будь-якого електрода не падає напруга, що дає реальну напругу електрода на клемах вольтметра.
Вимоги до електродів pH, як правило, навіть більш суворі, ніж проводка термопари, вимагаючи дуже чистих з'єднань та коротких відстаней дроту (10 ярдів або менше, навіть з позолоченими контактами та екранованим кабелем) для точного та надійного вимірювання. Однак, як і у термопар, недоліки вимірювання рН електродів компенсуються перевагами: хорошою точністю і відносною технічною простотою.
Мало хто технології приладобудування вселяють трепет і містику, яким командує вимірювання рН, тому що це так широко неправильно розуміється і важко усунути несправності. Не детально опираючись на точну хімію вимірювання рН, тут можна дати кілька слів мудрості про системи вимірювання рН:
- Всі електроди pH мають кінцевий термін служби, і цей термін служби сильно залежить від типу та тяжкості служби. У деяких додатках термін служби електродів pH один місяць може вважатися тривалим, а в інших додатках можна очікувати, що той самий електрод (и) триватиме більше року.
- Оскільки скляний (вимірювальний) електрод відповідає за генерацію пропорційної напруги pH, це той, який слід вважати підозрюваним, якщо вимірювальна система не може генерувати достатню зміну напруги для заданої зміни рН (приблизно 59 мілівольт на одиницю рН) або не реагує досить швидко до швидкої зміни рН досліджуваної рідини.
- Якщо система вимірювання рН «дрейфує», створюючи помилки зсуву, проблема, швидше за все, полягає в опорному електроді, який повинен забезпечувати зв'язок нульової напруги з вимірюваним розчином.
- Оскільки вимірювання рН є логарифмічним відображенням концентрації іонів, існує неймовірний діапазон умов процесу, представлених у, здавалося б, простій шкалі pH 0-14. Також через нелінійний характер логарифмічної шкали зміна 1 рН на верхньому кінці (скажімо, від 12 до 13 рН) не представляє таку ж величину зміни хімічної активності, як зміна 1 рН на нижньому кінці (скажімо, від 2 до 3 рН). Інженери системи управління та технічні працівники повинні знати про цю динаміку, якщо є надія контролювати рН процесу при стабільному значенні.
- Наступні умови небезпечні для вимірювання (скла) електроди: високі температури, екстремальні рівні рН (кислотні або лужні), висока іонна концентрація в рідині, стирання, плавикова кислота в рідині (HF кислота розчиняє скло!) , і будь-який вид матеріалу покриття на поверхні скла.
- Зміни температури в вимірюваної рідини впливають як на реакцію вимірювального електрода на заданий рівень рН (в ідеалі при 59 мВ на одиницю рН), так і на фактичний рН рідини. Пристрої для вимірювання температури можуть бути вставлені в рідину, а сигнали від цих пристроїв, що використовуються для компенсації впливу температури на вимірювання рН, але це компенсує лише реакцію мВ/рН вимірювального електрода, а не фактичну зміну рН технологічної рідини!
Досягнення все ще досягаються в області вимірювання рН, деякі з яких мають великі перспективи для подолання традиційних обмежень pH-електродів. Одна з таких технологій використовує пристрій, який називається польовим транзистором, для електростатичного вимірювання напруги, виробленої іонно-проникною мембраною, а не вимірювати напругу за допомогою фактичної схеми вольтметра. Хоча ця технологія має власні обмеження, це, принаймні, новаторська концепція, і може виявитися більш практичною пізніше.
Рецензія
- pH - це подання активності іонів водню в рідині. Він являє собою негативний логарифм кількості іонів водню (в молі) на літр рідини. Так: 10 -11 моль іонів водню в 1 літрі рідини = 11 рН. 10 -5,3 моля іонів водню в 1 літрі рідини = 5,3 рН.
- Базова шкала рН простягається від 0 (сильна кислота) до 7 (нейтральна, чиста вода) до 14 (сильна їдка). Хімічні розчини з рівнем рН нижче нуля і вище 14 можливі, але рідко.
- pH можна виміряти шляхом вимірювання напруги, виробленого між двома спеціальними електродами, зануреними в рідкий розчин.
- Один електрод, виготовлений зі спеціального скла, називається вимірювальним електродом. Це робота, щоб генерувати невелику напругу, пропорційну рН (в ідеалі 59,16 мВ на одиницю рН).
- Інший електрод (званий опорним електродом) використовує пористий перехід між вимірюваною рідиною та стабільним нейтральним буферним розчином pH (зазвичай хлорид калію) для створення електричного з'єднання з рідиною нульової напруги. Це забезпечує точку безперервності для повного ланцюга, так що напруга, що виробляється по товщині скла в вимірювальному електроді, може бути виміряна зовнішнім вольтметром.
- Надзвичайно високий опір скляної мембрани вимірювального електрода вимагає використання вольтметра з надзвичайно високим внутрішнім опором або вольтметра нульового балансу для вимірювання напруги.