История создания pH метра.
Современную лабораторию практически невозможно представить без pH-метра, прибора, позволяющего в течение нескольких минут определять кислотность водного раствора. История его создания началась в Калифорнии – одной из лидеров в выращивании цитрусовых культур. Индустрия нуждалась в быстром и удобном способе определения кислотности почв, воды, спелости плодов (процентное содержание лимонной кислоты в соке – один из показателей спелости).
Оценка кислотности проводилась несколькими способами. Наиболее известный – колориметрический метод – использование лакмусового индикатора. Данный метод не отличался особой точностью. Кроме того, местные предприниматели использовали на производстве в качестве консерванта диоксид серы, который затруднял применение лакмуса, так как взаимодействовал с ним.
Измерения кислотности проводились и электрохимически, на основе ионной теории. Предполагалось, что кислотность обусловлена концентрацией ионов водорода в растворе. В 1909 году Сёреном Сёренесеном, датским биохимиком, была предложена логарифмическая шкала pH (водородного показателя, значения кислотности варьируют от 0 до 14, где 0 соответствует кислой среде, 14 – щелочной), которая впоследствии стала универсальным средством оценки кислотности водных растворов. На основе этой шкалы были созданы современные pH-метры.
Химик Глен Джозеф, занимавшийся проблемой калифорнийских мануфактурщиков, попробовал применить стекло, в качестве поверхности, контактирующей с раствором. Это было необходимо для того, чтобы исключить все сторонние взаимодействия электрода и компонентов раствора. При этом стекло должно было быть очень тонким, чтобы была возможность регистрировать мельчайшие ионные токи в растворе. Хрупкая конструкция быстро приходила в негодность.
Глен Джозеф обратился к своему другу Арнольду Бекману, профессору аналитической химии. Перед ними стояло сразу две проблемы – первая – толщина используемого стекла, вторая – регистрация слабого электрического сигнала. Бекман предложил использовать электронный усилитель, который позволял значительно увеличивать электрический сигнал, по сравнению с используемыми ранее гальванометрами. Усиление чувствительности конструкции позволило перейти на более прочные и толстые стекла для электродов, которые уже не ломались в процессе работы.
Усилиями Бекмана был создан прибор, состоящий из вакуумной трубки, с расположенными внутри нее катодом и анодом, между которыми возникал ток при контакте с исследуемым раствором. Последующее усиление электрического сигнала позволяло регистрировать ток амперметром. Объединив несколько компонентов в одно устройство, Бекман значительно упростил рутинную лабораторную процедуру. В 1934 году был получен первый патент.
Основные элементы современного pH-метра:
- 2 электрода: стеклянный ионселективный электрод, чувствительный к ионам водорода и хлоридсеребряный электрод (электрод сравнения). Современные pH-метры имеют комбинированные электроды (под одной стеклянной трубкой находятся оба электрода)
- Электроды покрыты серебром, так как оно обладает хорошей проводимостью и не взаимодействует с буфером
- В неактивном состоянии pH-метра электроды погружены в раствор электролита, как правило хлорида калия со значением pH=7 (соответствует нейтральной среде). Концентрации ионов с обеих сторон от стеклянной мембраны уравнены, таким образом разность потенциалов отсутствует.
- Термодатчик, необходимый для автоматической корректировки показателя pH c учетом температурных колебаний
- Анализатор
Приницип работы:
- Оба электрода (ионселективный и электрод сравнения) погружаются в исследуемый раствор.
- Между электродами возникает поток ионов и замыкает электрическую цепь pH-метра
- Основной электрод содержит полупроницаемую стеклянную мембрану, через которую проходит ток, переносимый исключительно ионами водорода. pH, исследуемого раствора определяет направление тока
- Электрод сравнения имеет постоянное значение потенциала. Относительно электрода сравнения происходит измерение потенциала на основном электроде в зависимости от количества ионов водорода в растворе.
- Разница потенциалов между двумя электродами меняется по определенному закону (функции и описывается уравнением Нернста. Анализатор преобразует измеренную разницу потенциала в точное значение pH.
Области применения:
В зависимости от задач, pH-метр может быть модифицирован, например, за счёт специализированных электродов. pH-метр абсолютно незаменимый прибор, находящий широкое применение в самых разных областях промышленности и производствах, медицинских и научных лабораториях.
- Пивоварение и виноделие
- Производство косметики и фармацевтических продуктов
- Исследовательская деятельность (приготовление растворов, сред, буферов0
- Исследование качества воды в водоемах, бассейнах, централизованном водоснабжении
- Анализ почв, воды в агропромышленности
- Анализ охлаждающих жидкостей промышленных установок
