pН-метрия

pН-метрия - определение концентрации водородных растворов или реакции раствора – его кислотности или щелочности, производится с помощью прибора рН-метра.

Принципиальная схема рН-метра

Для измерения величины pH используют электродную систему со стеклянным электродом, электродвижущая сила которого зависит от активности ионов водорода в растворе. Схема такой электродной системы приведена на рис. 68.

Рис. 68. Принципиальная схема рН-метра. 1 – шарик из литиевого стекла; 2 — стеклянный электрод; 3 — контактный электрод внутренний; 4 — контактный электрод внешний; 5 — трубка с раствором хлорида калия; 6 — пористая перегородка; 7 — милливольтметр.

Стеклянный электрод (2) представляет собой трубку с напаянным на конус полым шариком (1) из литиевого электродного стекла.

При погружении электрода в раствор между поверхностью шарика электрода и раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода, и стеклянный электрод приобретает свойства водородного электрода.

Между поверхностью стекла и исследуемым раствором возникает разность потенциалов Ех, величина которой определяется активностью водорода в растворе.

Для создания электрической цепи при измерении применяют контактные электроды: внутренний контактный электрод (3), осуществляющий электрический контакт с раствором, заполняющим внутреннюю часть стеклянного электрода, и внешний контактный электрод (так называемый вспомогательный электрод) (4), осуществляющий электрический контакт с исследуемым раствором.

Для защиты от воздействия высоких температур (при измерении pH горячих растворов) вспомогательный электрод помещают вне исследуемого раствора и соединяют с ним при помощи трубки (5), заполненный насыщенным раствором хлорида калия и заканчивающейся пористой перегородкой (6). Раствор хлорида калия непрерывно просачивается через пористую перегородку, предотвращающую проникновение из исследуемого раствора в систему электрода (4) посторонних ионов, которые могли бы изменить величину ЭДС электрода.

Электродвижущая сила электродной системы зависит от величины pH раствора.

Измеряя ЭДС электродной системы с помощью электронного милливольтметра (7), шкала которого градуирована в единицах pH, определяют величину pH исследуемого раствора.

Устройство прибора ЛПУ-01

рН-метр с датчиком представляет собой настольный лабораторный прибор. Элементы измерительной схемы прибора и его электронный усилитель размещены в металлическом корпусе. Все органы управления прибором выведены на его переднюю панель (рис. 69).

Слева от показывающего прибора находится контрольная лампочка (2), сигнализирующая о том, что рН- метр включен. Включение прибора производится тумблером.

Переключатель (4), предназначен для включения пределов измерения. При измерении pH переключатель становится в среднее положение.

Пределы измерения pH устанавливаются переключателем (5). Переменное сопротивление (7) «Настройка по буферному раствору» и переменное сопротивление (6) «Крутизна» предназначены для настройки прибора по буферным растворам.

Оси этих сопротивлений закрыты колпачками, которые предупреждают случайное изменение настройки прибора при работе с ним.

Справа на передней панели прибора нанесена шкала температуры от 0 до 100°С с ценой деления 2°С и рукоятка ручной температурной компенсации (5). Слева имеется гнездо для включения штекера.

Устройство лабораторного датчика ДЛ-01

Датчик (рис. 70) предназначен для крепления электродов и установки сосуда с исследуемым раствором при измерении величины pH.

Рис. 70. Лабораторный датчик ДЛ-01. 1 – штатив; 2 – вспомогательный электрод; 3 – стеклянный электрод; 4 – прижимы; 5 – ртутный термометр; 6 – поворотный столик; 7 – стакан с исследуемым раствором; 8 – стопор; 9 – коврик.

Все элементы датчика собраны на настольном вертикальном штативе (1). В верхней части штатива установлен проточный вспомогательный электрод (2). Наконечник этого электрода и стеклянный измерительный электрод (3) крепятся к кронштейну с помощью прижимов (4). Параллельно электродам с помощью скоб крепится ртутный термометр (5).

Под электродами на штативе закреплен поворотный столик (6), на который ставится стакан с исследуемым раствором (7). С помощью стопора (8) столик можно установить на нужной высоте. Столик можно поворачивать на угол 90° вправо и фиксировать в любом положении.

Датчик подключается к прибору штекером, который вставляют в гнездо с надписью «Датчик» на передней
панели прибора.

Техника работы с прибором ЛПУ-01

Подготовка прибора к работе

1. Установить механический ноль показывающего прибора, для чего, поворачивая отверткой корректор нуля (6) (см. рис. 69), установить стрелку на нулевую (начальную) отметку шкалы. Эта манипуляция производится только при первичной наладке прибора.
2. Переключатели «Виды работ» (4) и «Пределы измерения» (5) установить соответственно в положение «pH» и «2ч-14».
3. Отрегулировать высоту установки стеклянного электрода и наконечника вспомогательного электрода так, чтобы они при измерениях погружались в раствор на 20-40 мм и выступали бы из экрана на 40-80 мм.
4. Установить ртутный термометр, который погружают в исследуемый раствор вместе с электродами.
5. Отрегулировать положение столика под электродами. При закреплении упора следует обратить внимание на то, чтобы столик, отведенный в крайнее правое положение, находился бы под электродами и имел возможность поворачиваться влево на 90°.
6. Для того чтобы погрузить электроды в раствор, необходимо левой рукой отвести столик влево на 90°; взять стакан с раствором в правую руку и подставить его под электроды; левой рукой повернуть столик под электроды; поставить стакан на столик.
7. Установить столик (10) со стаканом на такой высоте, чтобы погрузить в него электроды и ртутный термометр на 20-40 мм.
8. Включить прибор в сеть на 220 В с помощью сетевого шнура.
9. Включают прибор с помощью тумблера, находящегося на передней панели прибора, установив его в положение «включено». При этом на панели прибора загорается красная лампочка.

Проверка работы прибора по буферным растворам

Проверку работы прибора производят по стандартным буферным растворам, выпускаемым специально для этой цели. Реактивы имеют пометку 1 рН-метрии» и выпускаются в виде фиксаналов, рассчитанных на приготовление 1 л буферного раствора.

Проверка должна производиться по стандартным буферным растворам 1,68 pH (0,05 М раствор оксалата калия), 4,00 pH (0,05 М раствор калия гидрофталата) и 1 9,22 pH (0,01 М раствор натрия тетрабората) при температуре 20°С.

Кроме стандартных растворов можно пользоваться раствором хлористоводородной кислоты, приготовленным из фиксанала. pH данного раствора 1,1 при 10-20 и 30°С.

Отсчет показаний прибора

При установке показателя пределов измерения в положение 24-14 отсчет показаний производится по нижней шкале показывающего прибора, оцифрованной непосредственно в единицах pH от 2 до 14.

При работе в узких диапазонах измерения 4 единицы pH приходятся на всю шкалу (рис. 71). Рекомендуется следующее правило отсчета показаний.

Рис. 71. Отсчет показаний прибора.

Например. Переключатель диапазона установлен в положение «12-f-14», а стрелка указывающего прибора установилась на значении 1,23. Измеряемая величина = 10+1,23 = 11,23 pH.

Проверка показаний прибора

1. Включить прибор за 30 мин до начала работы для прогревания.
2. Электроды перед погружением в буферный раствор необходимо тщательно промыть дистиллированной водой. Дистиллированную воду налить в стаканчик и погрузить в нее электроды и термометр. Эту манипуляцию повторить несколько раз. Избыток воды удалить с электродов фильтровальной бумагой.
3. Электроды и ртутный термометр поместить в стандартный буферный раствор с pH 4,00.
4. Переключателем «Пределы измерения» (см. рис. 69, 5) включить прибор на пределы измерения, в диапазоне которых лежит pH данного раствора. В данном случае это положение 2-т-6.
5. Установить указатель температурного корректора (8) против отметки, соответствующей температуре буферного раствора.
6. Рукояткой «Настройка по буферному раствору» (7) установить стрелку указывающего прибора на значение 4,00 pH по шкале прибора.
7. Проверить показания прибора по стандартным буферным растворам 1,68 pH (на диапазоне измерения– 2-7-2 pH) снова 4,00 pH (на диапазоне измерения 2+6 pH) и 9,22 pH (на диапазоне измерения 6+10 pH). При этом уже не пользуются рукояткой настройки по буферному раствору.
8. Проверяют показания прибора по тем же буферным растворам на диапазоне измерения – 2-14 pH.

Измерение pH растворов

1. Перед измерением PH исследуемых растворов необходимо произвести проверку прибора по стандартным буферным растворам. Если pH исследуемых растворов меняется в небольших пределах, то достаточна проверка по одному стандартному буферному раствору. Рекомендуется применять буферный раствор величина pH которого лежит в том же диапазоне изменения что и значение pH исследуемого раствора.    
2. Перед погружением электродов в контролируемый раствор их необходимо тщательно промыть дистиллированной водой, избыток воды удалить с электродов фильтровальной бумагой.  
3. В химически чистый сухой стаканчик налить исследуемый раствор. 
4. Погрузить в исследуемый раствор электроды и термометр.
5. Установить указатель температурного корректора (5) по температуре исследуемого раствора. Пределы измерения были установлены ранее при проверке работы прибора по буферному раствору, величина pH которого лежит в том же диапазоне измерения.
6. Отсчет величины pH исследуемого раствора производить по шкале показывающего прибора.  Снимать показания прибора следует после того, как они примут установившееся значение. Обычно время установления показаний не превышает одной минуты.

Указания к работе с прибором ЛПУ-01

1. При эксплуатации прибора не следует допускать высыхания стеклянного электрода, так как это может привести к изменению его характеристик. Вне работы прибора стеклянный электрод должен постоянно находиться в стаканчике с дистиллированной водой.
2. Вспомогательный электрод периодически пополняется насыщенным при комнатной температуре раствором хлорида калия.
3. Недопустимо длительное пребывание электродов в концентрированных кислотах и щелочах.
4. В случае образования пленок на электродах они могут быть удалены промыванием электродов органическими растворителями, кислотами или щелочами. После этого электроды следует особенно тщательно промыть водой, а показания прибора должны быть проверены хотя бы в одном из стандартных буферных растворов.
5. Необходимо иметь в виду, что буферные растворы при многократном применении могут менять величину pH и прибор нуждается в проверке по свежеприготовленным буферным растворам.
6. По окончании работы с прибором электроды должны оставаться погруженными в воду.