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酸度計(jì)的工作原理及使用方法

更新時(shí)間:2021-11-17瀏覽:16211次
 酸度計(jì)的工作原理及使用方法
  1、酸度計(jì)(pH計(jì))的工作原理
  酸度計(jì)(以下簡(jiǎn)稱pH計(jì))是采用氫離子選擇性電極測(cè)量液體pH值的一種廣泛使用的化學(xué)分析儀器。酸度計(jì)是用電勢(shì)法來測(cè)量pH值的,其基本原理是:將一個(gè)連有內(nèi)參比電極的可逆氫離子指示電極和一個(gè)外參比電極同時(shí)浸入到某一待測(cè)溶液中而形成原電池,在一定溫度下產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)外參比電極之間的電池電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)與溶液中氫離子活度有關(guān),而與其它離子的存在基本沒有關(guān)系。儀器通過測(cè)量該電動(dòng)勢(shì)的大小,最后轉(zhuǎn)化為待測(cè)液的pH值而顯示出來。
  實(shí)驗(yàn)中為了操作方便,常常把連有內(nèi)參比電極的氫離子指示電極和外參比電極復(fù)合在一起構(gòu)成復(fù)合電極。復(fù)合電極的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要組成部件如下:
  (1)玻璃薄膜球泡:它是由具有H+交換功能的鋰玻璃熔融吹制而成,呈球形,膜厚在0.1-0.2mm左右,25oC下的電阻值<<span="">250兆歐。
  (2)玻璃支持管:是支持電極球泡的玻璃管體,由電絕緣性優(yōu)良的鉛玻璃制成,其膨脹系數(shù)與電極球泡玻璃一致。
  (3)內(nèi)參比電極:多為Ag/AgCl電極或飽和甘汞電極,主要作用是提供一個(gè)穩(wěn)定的參比電勢(shì),要求其電極電勢(shì)穩(wěn)定,溫度系數(shù)小。
  (4)內(nèi)參比溶液:為pH值恒定的緩沖溶液或濃度較大的強(qiáng)酸溶液,如0.1mol/LHCl溶液。
  (5)電極殼:電極殼是支持玻璃電極和液接界,盛放外參比溶液的殼體,通常由聚碳酸酯(PC)塑壓成型或者玻璃制成。PC塑料在有些溶劑中會(huì)溶解,如丙酮、四氯化碳、三氯乙烯、四氫呋喃等,如果測(cè)試液中含有以上溶劑,就會(huì)損壞電極外殼,此時(shí)應(yīng)改用玻璃外殼的pH復(fù)合電極。
  (6)外參比電極:多為銀/氯化銀電極或飽和甘汞電極,其作用也是提供一個(gè)穩(wěn)定的參比電勢(shì),要求其電極電勢(shì)穩(wěn)定,重現(xiàn)性好,溫度系數(shù)小。
  (7)外參比溶液:常為飽和溶液或KCl凝膠電解質(zhì)。
  (8)液接界:液接界是外參比溶液和被測(cè)溶液之間的連接部件,要求滲透量大且穩(wěn)定,通常由瓷砂芯材料構(gòu)成。
  (9)電極導(dǎo)線:為低噪音金屬屏蔽線,內(nèi)芯與內(nèi)參比電極連接,屏蔽層與外參比電極連接。
  使用復(fù)合電極之前,必須將電極中的玻璃薄膜球泡在水中浸泡,使之形成一個(gè)三層結(jié)構(gòu),即中間的干玻璃層和兩邊的“水合硅膠層”。當(dāng)球狀玻璃膜的內(nèi)外玻璃表面與水溶液接觸時(shí),Na2SiO3晶體骨架中的Na+或Li2SiO3中的Li+與水溶液中的H+發(fā)生交換:
  G-Na++H+=G-H++Na+或G-Li++H+=G-H++Li+
  因?yàn)樵摻粨Q過程的平衡常數(shù)很大,因此,玻璃膜內(nèi)外表面層中的Na+或Li+的位置幾乎全部被H+所取代,從而形成所謂的“水合硅膠層”。當(dāng)把浸泡好的玻璃電極插入到待測(cè)溶液中時(shí),水合硅膠層與溶液接觸,由于硅膠層表面H+活度和溶液中H+活度不同,形成活度差,H+便從活度大的一方向活度小的一方遷移,從而在硅膠層與溶液中建立了平衡,改變了膠-液兩相界面的電荷分布,產(chǎn)生一定的相界電勢(shì)。同理,在玻璃膜內(nèi)側(cè)水合硅膠層-內(nèi)部溶液界面也存在一定的相界電勢(shì)。其相界電勢(shì)可用下式表示:
  式中a1、a2分別表示外部待測(cè)溶液和內(nèi)參比溶液中H+的活度;a1ˊ、a2ˊ分別表示玻璃膜外、內(nèi)水合硅膠層表面的H+活度;K1、K2分別為由玻璃膜外、內(nèi)表面性質(zhì)決定的常數(shù)。
  因?yàn)椴A?nèi)外表面性質(zhì)基本相同,所以k1=k2,又因?yàn)樗瞎枘z層表面的Na+或Li+全部都被H+所取代,故a1ˊ=a2ˊ,因此
  由于內(nèi)參比溶液中H+活度a2是一定值,故:
  其中K3=-(RT/zF)lna2,為一常數(shù)。
  可以看出,在一定溫度下玻璃電極的膜電勢(shì)與試液的pH呈直線關(guān)系。而酸度計(jì)測(cè)得的是內(nèi)外兩個(gè)參比電極之間構(gòu)成的原電池的總的電動(dòng)勢(shì),其值為
  對(duì)于質(zhì)量合格的復(fù)合電極,圖片,圖片的值均為穩(wěn)定不變的常數(shù),而外參比溶液和待測(cè)液之間的液接電勢(shì)圖片趨于0且非常穩(wěn)定,所以可將上式中各個(gè)不變的量合并為一個(gè)常數(shù)K,最后得
  可以看出,在一定溫度下酸度計(jì)測(cè)得的由復(fù)合電極和待測(cè)液一起構(gòu)成的原電池的電動(dòng)勢(shì)與待測(cè)液的pH值呈線性關(guān)系。在pH計(jì)使用前,用兩個(gè)pH值已知的緩沖溶液為標(biāo)準(zhǔn)試液對(duì)儀器進(jìn)行校正,確定上面公式中的截距和斜率,之后就可以用來測(cè)試待測(cè)液了。
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  以pSH-25型酸度計(jì)為例說明酸度計(jì)的一般使用方法。圖2為pSH-25型酸度計(jì)外部結(jié)構(gòu)。具體操作步驟為:
 ?。?)開機(jī):按下電源開關(guān),電源接通后,預(yù)熱10min。
  (2)儀器選擇開關(guān)置“pH”檔或“mV”檔。
  (3)標(biāo)定:儀器使用前先要標(biāo)定。一般說,如果儀器連續(xù)使用,只需最初標(biāo)定一次。具體操作分二種:
 ?、僖稽c(diǎn)校正法——用于分析精度要求不高的情況。
  1)儀器插上電極,選擇開關(guān)置于pH檔。
  2)儀器斜率調(diào)節(jié)器在100%位置(即順時(shí)針旋到底的位置)。
  pSH-25型酸度計(jì)外部結(jié)構(gòu)
  3)選擇一種接近待測(cè)樣品溶液pH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液(其pH值為已知的),并把電極放入這一緩沖溶液中,調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)器,使所指示的溫度與溶液的溫度相同,并搖動(dòng)試杯,使溶液均勻。
  4)待讀數(shù)穩(wěn)定后,該讀數(shù)應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值,否則調(diào)節(jié)定位調(diào)節(jié)器,使讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值一致。
  5)清洗電極,并吸干電極球泡表面的余水,準(zhǔn)備測(cè)量待測(cè)液。
  ②二點(diǎn)校正法——用于分析精度要求較高的情況。
  1)儀器插上電極,選擇開關(guān)置于pH檔,儀器斜率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)在100%位置。
  2)選擇二種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液(被測(cè)溶液的pH值應(yīng)該大約在該二種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液pH值之間,如pH=4.00和pH=7.00)。
  3)把電極放入第一緩沖溶液(pH=7.00),調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)器,使所指示的溫度與溶液相同。
  4)待讀數(shù)穩(wěn)定后,該讀數(shù)應(yīng)為該標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值,否則調(diào)節(jié)定位調(diào)節(jié)器,使讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值一致。
  5)清洗電極,并吸干電極球泡表面的余水后,把電極放入第二種緩沖溶液(如pH=4.00),搖動(dòng)試杯使溶液均勻。
  6)待讀數(shù)穩(wěn)定后,該讀數(shù)應(yīng)為第二種緩沖溶液的pH值,否則調(diào)節(jié)斜率調(diào)節(jié)器,使其顯示的數(shù)值與第二種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值一致。此時(shí),酸度計(jì)標(biāo)定完成,之后不能再調(diào)節(jié)定位調(diào)節(jié)器和斜率調(diào)節(jié)器,否則需重新標(biāo)定。對(duì)于精密度高的酸度計(jì),有時(shí)需要重復(fù)3)-6)步驟以反復(fù)調(diào)節(jié)定位調(diào)節(jié)器和斜率調(diào)節(jié)器,以達(dá)到最佳的儀器校對(duì)效果。
  7)清洗電極,并吸干電極球泡表面的余水待用。
  (4)測(cè)量
  1將復(fù)合電極加液口上所套的橡膠套和下端的橡皮套全取下,以保持電極內(nèi)溶液的液壓差恒定。
  2將電極夾向上移出,用蒸餾水清洗電極頭部,并用濾紙吸干。
  3把電極插在被測(cè)溶液內(nèi),調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)器,使所指示的溫度與溶液的溫度相同。搖動(dòng)試杯使溶液均勻,讀數(shù)穩(wěn)定后,讀出該溶液的pH值。
  (5)結(jié)束
  測(cè)試完成后關(guān)閉儀器電源,用蒸餾水清洗電極頭部,并用濾紙吸干,之后浸泡在飽和KCl溶液中保存。