pH计,是指用来测定溶液酸碱度值的仪器。pH计是利用原电池的原理工作的,原电池的两个电 间的电动势依据能斯特定律,既与电 的自身属性有关,还与溶液里的氢离子浓度有关。原电池的电动势和氢离子浓度之间存在对应关系,氢离子浓度的负对数即为pH值。pH计是 种常见的分析仪器,广泛应用在农业、环保和工业等领域。土壤pH值是土壤重要的基本性质之 。在pH测定过程中应考虑待测溶液温度及离子强度等因素。
什么是pH?pH是拉丁文“Pondus hydrogenii” 词的缩写(Pondus=压强、压力hydrogenium=氢),用来量度物质中氢离子的活性。这 活性直接关系到水溶液的酸性、中性和碱性。水在化学上是中性的,但不是没有离子,即使化学纯水也有微量被离解:严格地讲,在与水分子水合作用以前,氢核不是以自由态存在。
H2O+ H2O=H3O+ + OHˉ,由于水合氢离子(H3O+)的浓度是与氢离子(H+)浓度等同看待,上式可以简化成下述常用的形式:
H2O=H+ + OHˉ
此处正的氢离子,人们在化学中表示为“H+离子”或“氢核”。水合氢核表示为“水合氢离子”。负的氢氧根离子称为“氢氧化物离子”。
利用质量作用定律,对于纯水的离解可以找到 平衡常数加以表示:
K=H3O+×OH-————H2O
由于水只有 少量被离解,因此水的质量摩尔浓度实际为 常数,并且有平衡常数K可求出水的离子积KW。
KW=K×H2O KW= H3O+·OH-=10-7·10-7=10-14mol/l(25℃)
也就是说对于 升纯水在25℃时存在10-7摩尔H3O+离子和10-7摩尔OHˉ离子。
在中性溶液中,氢离子H+和氢氧根离子OHˉ的浓度都是10-7mol/l。如:
假如有过量的氢离子H+,则溶液呈酸性。酸是能使水溶液中的氢离子H+游离的物质。同样,如果使OHˉ离子游离,那么溶液就是碱性的。所以,给出H+值就足以表示溶液的特性,呈酸性还是碱性,为了免于用此分子浓度负幂指数进行运算,生物学家泽伦森(Soernsen)在1909年建议将此不便使用的数值用对数代替,并定义为“pH值”。数学上定义pH值为氢离子浓度的常用对数负值。即pH=-log[H+]。
因此,pH值是离子浓度以10为底的对数的负数:
改变50m的水的pH值,从pH2到pH3需要500L漂白剂。然而,从pH6到pH7只需要50L的漂白剂。
测量pH值的方法很多,主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位法测得pH值。
电位分析法所用的电 被称为原电池。原电池是 个系统,它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势(EMF)。此电动势(EMF)由二个半电池构成,其中 个半电池称作指示电 ,它的电位与特定的离子活度有关,如H+;另 个半电池为参比半电池,通常称作参比电 ,它 般是测量溶液相通,并且与测量仪表相连。
例如, 支电 由 根插在含有银离子的盐溶液中的 根银导线制成,在导线和溶液的界面处,由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度,形成离子的充电过程,并形成 定的电位差。失去电子的银离子进溶液。当没有施加外电流进行反充电,也就是说没有电流的话,这 过程 终会达到 个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电 电位。这种(如上所述)由金属和含有此金属离子的溶液组成的电 被称为 类电 。
此电位的测量是相对 个电位与盐溶液的成分无关的参比电 进行的。这种具有独立电位的参比电 也被称为 二电 。对于此类电 ,金属导线都是覆盖 层此种金属的微溶性盐(如:Ag/Agcl),并且插入含有此种金属盐阴离子的电解质溶液中。此时半电池电位或电 电位的大小取决于此种阴离子的活度。
此二种电 之间的电压遵循能斯特(NERNST)公式:
E0—电 的标准电压
R—气体常数(8.31439焦耳/摩尔和℃)
T—开氏 对温度(例:20℃相当于(273.15+20)293.15开尔文)
F—法拉 常数(96493库化/当量)
n—被测离子的化合价(银=1,氢=1)
ln(aMe)—离子活度aMe的对数
标准氢电 是所有电位测量的参比点。标准氢电 是 根铂丝,用电解的方法镀(涂覆)上氯化铂,并且在四周充入氢气(固定压力为1013hpa)构成的。
将此电 浸入在25℃时H3O+离子含量为1mol/l溶液中便形成电化学中所有电位测量所参照的半电池电位或电 电位。其中氢电 作为参比电 在实践中很难实现,于是使用 二类电 做为参比电 。其中 常用的便是银/氯化银电 。该电 通过溶解的AgCl对于氯离子浓度的变化起反应。
此参比电 的电 电位通过饱和的kcl贮池(如:3mol/l kcl)来实现恒定。液体或凝胶形式的电解质溶液通过隔膜与被测溶液相连通。
利用上述的电 组合—银电 和Ag/AgCl参比电 可以测量胶片冲洗液中的银离子含量。也可以将银电 换成铂或金电 进行氧化还原电位的测量。例如:某种金属离子的氧化阶段。
常用的pH指示电 是玻璃电 。它是 支端部吹成泡状的对于pH敏感的玻璃膜的玻璃。管内充填有含饱和AgCl的3mol/l kcl缓冲溶液,pH值为7。存在于玻璃膜二面的反映pH值的电位差用Ag/AgCl传导系统,
如 二电 ,导出。pH复合电 和pH固态电 ,
此电位差遵循能斯特公式:
0、R、T(298.15K即25℃)等数值代入上式既得:
将EE=59.16mv/25℃ per pH (式中已将ln(H3O+)转化为pH)
式中R和F为常数,n为化合价,每种离子都有其固定的值。对于氢离子来讲n=1。温度“T”做为变量,在能斯特公式中起很大作用。随着温度的上升,电位值将随之增大。
对于每1℃的温度变大,将引起电位0.2mv/per pH变化。用pH值来表示则每1℃ 1pH变化0.0033pH值。
这也就是说:对于20~30℃之间和7pH左右的测量不需要对温度变化进行补偿;而对于温度>30℃或<20℃和pH值>8或6的应用场合则必须对温度变化进行补偿。
工业pH计,是 种常用的工业仪器设备,主要用来精密测量液体介质的酸碱度值。以及安装、清洗、抗干扰等等问题的考虑