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PH 計的原理與分類

本文講述了 PH 計的定義、 PH 測量 原理及各種測量方法； PH 酸堿度計的大致分類。主要是針對目前市場使用較多的 PH 酸堿度計、傳感器原理進行分析，對 PH 酸堿度計分類進行簡單介紹。

隨著人民生活水平的提高， PH 酸堿度計逐步進入了我們的生活，與我們的生活息息相關(guān)，廣泛應(yīng)用在環(huán)保、食品、化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。

PH 酸堿度計的定義、原理與測量方法

     什么是 PH ？ PH 是拉丁文“ Pondus hydrogenii ”一詞的縮寫（ Pondus= 壓強、壓力 hydrogenium= 氫），用來量度物質(zhì)中氫離子的活性。這一活性直接關(guān)系到水溶液的酸性、中性和堿性。水在化學(xué)上是中性的，但不是沒有離子，即使化學(xué)純水也有微量被離解：嚴格地講，只有在與水分子水合作用以前，氫核不是以自由態(tài)存在。

H2O+ H2O=H 3 O + + OH ˉ

由于水全氫離子（ H3O ）的濃度事與氫離子（ H ）濃度等同看待，上式可以簡化成下述常用的形式：

H2O=H + + OH ˉ

此處正的氫離子人們在化學(xué)中表示為“ H + 離子”或“氫核”。水合氫核表示為“水合氫離子”。負的氫氧根離子稱為“氫氧化物離子”。

利用質(zhì)量作用定律，對于純水的離解可以找到一平衡常數(shù)加以表示：

由于水只有極少量被離解，因此水的克分子濃度實際為一常數(shù)，并且有平衡常數(shù) K 可求出水的離子積 K W 。

    K W =K × H 2 O K W = H 3 O + ·ＯＨ － =10 － 7 · 10 － 7 =10mol / l(25 ℃ )

也就是說對于一升純水在 25 ℃時存在 10 － 7 摩爾 H 3 O + 離子和 10 － 7 摩爾 OH ˉ離子。

在中性溶液中，氫離子 H + 和氫氧根離子 OH ˉ的濃度都是 10 － 7 mol/l 。如：

假如有過量的氫離子 H + ，則溶液呈酸性。酸是能使水溶液中的氫離子 H + 游離的物質(zhì)。同樣，如果氫離子 H + 并使 OH ˉ離子游離，那末溶液就是堿性的。所以，給出 CH + 值就足以表示溶液的特性，呈酸性堿性，為了免于用此克分子濃度負冥指數(shù)進行運算，生物學(xué)家澤倫森（ Soernsen ）在 1909 年建議將此不便使用的數(shù)值用對數(shù)代替，并定義為“ pH 值”。數(shù)學(xué)上定義 pH 值為氫離子濃度的常用對數(shù)負值。即

因此， PH 值是離子濃度以 10 為底的對數(shù)的負數(shù)：

改變 50m 3 的水的 pH 值，從 pH2 到 pH3 需要 500L 漂白劑。然而，從 pH6 到 pH7 只需要 50L 的漂白劑。

測量 PH 值的方法很多，主要有化學(xué)分析法、試紙法、電位法。現(xiàn)主要介紹電位法測得 PH 值。

電位分析法所用的電極被稱為原電池。原電池是一個系統(tǒng)，它的作用是使化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能。此電池的電壓被稱為電動勢（ EMF ）。此電動勢（ EMF ）由二個半電池構(gòu)成，其中一個半電池稱作測量電極，它的電位與特定的離子活度有關(guān)，如 H + ；另一個半電池為參比半電池，通常稱作參比電極，它一般是測量溶液相通，并且與測量儀表相連。

例如，一支電極由一根插在含有銀離子的鹽溶液中的一根銀導(dǎo)線制成，在導(dǎo)線和溶液的界面處，由于金屬和鹽溶液二種物相中銀離子的不同活度，形成離子的充電過程，并形成一定的電位差。失去電子的銀離子進溶液。當(dāng)沒有施加外電流進行反充電，也就是說沒有電流的話，這一過程*終會達到一個平衡。在這種平衡狀態(tài)下存在的電壓被稱為半電池電位或電極電位。這種（如上所述）由金屬和含有此金屬離子的溶液組成的電極被稱為**類電極。

此電位的測量是相對一個電位與鹽溶液的成分無關(guān)的參比電極進行的。這種具有獨立電位的參比電極也被稱為**電極。對于此類電極，金屬導(dǎo)線都是覆蓋一層此種金屬的微溶性鹽（如： Ag/AgCL ），并且插入含有此種金屬鹽限離子的電解質(zhì)溶液中。此時半電池電位或電極電位的大小取決于此種陰離子的活度。

此二種電極之間的電壓遵循能斯特（ NERNST ）公式：

式中： E —電位

E0 —電極的標準電壓

R —氣體常數(shù)（ 8.31439 焦耳 / 摩爾和℃）

T —開氏優(yōu)良溫度（例： 20 ℃ =273+293 開爾文）

F —法拉弟常數(shù)（ 96493 庫化 / 當(dāng)量）

n —被測離子的化合價（銀 =1 ，氫 =1 ）

aMe— 離子的活度

標準氫電極是所有電位測量的參比點。標準氫電極是一根鉑絲，用電解的方法鍍（涂覆）上氯化鉑，并且在四周充入氫氣（固定壓力為 1013hpa ）構(gòu)成的。

將此電極浸入在 25 ℃時 H 3 O + 離子含量為 1mol/l 溶液中便形成電化學(xué)中所有電位測量所參照的半電池電位或電極電位。其中氫電極做為參比電極在實踐中很難實現(xiàn)，于是使用**類電極做為參比電極。其中*常用的便是銀 / 氯化銀電極。該電極通過溶解的 AgCl 對于氯離子濃度的變化起反應(yīng)。

此參比電極的電極電位通過飽和的 kcl 貯池（如： 3mol/l kcl ）來實現(xiàn)恒定。液體或凝膠形式的電解質(zhì)溶液通過隔膜與被測溶液相連通。

利用上述的電極組合—銀電極和 Ag/AgCl 參比電極可以測量膠片沖洗液中的銀離子含量。也可以將銀電極換成鉑或金電極進行氧化還原電位的測量。例如：某種金屬離子的氧化階段。

如**電極，導(dǎo)出。 PH 復(fù)合電極和 PH 固態(tài)電極，如圖

此電位差遵循能斯特公式：

E=59 . 16mv/25 ℃ per pH

式中 R 和 F 為常數(shù)， n 為化合價，每種離子都有其固定的值。對于氫離子來講 n=1 。溫度“ T ”做為變量，在能斯特公式中起很大作用。隨著溫度的上升，電位值將隨之增大。

對于每 1 ℃的溫度變大，將引起電位 0.2mv/per pH 變化。用 pH 值來表示則每 1 ℃第 1pH 變化 0.0033pH 值。

這也就是說：對于 20 ～ 30 ℃之間和 7pH 左右的測量不需要對溫度變化進行補償；而對于溫度＞ 30 ℃或＜ 20 ℃和 pH 值＞ 8pH 或 6pH 的應(yīng)用場合則必須對溫度變化進行補償。

圖 1 ： pH 值一電位一離子濃度之間的關(guān)系

     0    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10   11   12   13   14       OH 離子

     14   13   12   11   10   9    8    7    6    5    4    3    2    1    0        H   離子

     0    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10   11   12   13   14       pH

     +414.4 ????　?? ???? +.59.2 0 -59.2 ????????????　????　 -414.4       mv/25 ℃

從以上我們對 PH 測量的原理進行了分析而得知我們只要用一臺毫伏計即可把 PH 值顯示出來

PH 酸 堿 度計的分類

人們根據(jù)生產(chǎn)與生活的需要，科學(xué)地研究生產(chǎn)了許多型號的酸堿度計：

按測量精度上可分 0.2 級、 0.1 級、 0.01 級或更高精度

按儀器體積上分有筆式（迷你型）、便攜式、臺式還有在線連續(xù)監(jiān)控測量的在線式。

根據(jù)使用的要求：

筆式（迷你型）與便攜式 PH 酸堿度計一般是檢測人員帶到現(xiàn)場檢測使用。

選擇 PH 酸堿度計的精度級別是根據(jù)用戶測量所需的精度決定，而后根據(jù)用戶方便使用而選擇各式形狀的 PH 計。

結(jié)束語：

   國外 PH 酸堿度計是上個世紀初開展研究發(fā)展，中國于上個世紀中葉也開始研究生產(chǎn)，近二十年 PH 酸堿度計迅猛發(fā)展，不管是質(zhì)量與多功能性都可滿足人們的使用的需要。

   目前隨著人們對 PH 的酸堿度計的使用與研究和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， PH 酸堿度計的電極與儀器都將有很大的發(fā)展，它將以更**的測量和更方便人們的使用為目標，不斷發(fā)展。