Как работает pH-метр

Уровень кислотности (рН) можно измерить с помощью индикаторов — лакмуса или фенолфталеина. Они лишь показывают наличие кислотной, нейтральной, щелочной среды. Но в некоторых процессах важно знать точное значение рН, а иногда регулярно отслеживать для корректировки. Чтобы быстро и достоверно определить уровень кислотности, используется рН-метр. Как работает, какие виды бывают и как правильно использовать прибор, мы расскажем в этой статье.

Устройство и принцип работы

рН-метр используется для определения уровня кислотности в различных средах. Если говорить научным языком, прибор измеряет водородный показатель, который характеризует активность ионов водорода в конкретной среде. Если рН равен 7, то среда нейтральная, например, дистиллированная вода. У нее равное количество положительно заряженных ионов водорода и отрицательно заряженных гидроскид-ионов. Если показатель меньше 7, то среда кислая. При показателях выше 7, принято считать, что среда щелочная.

Работа прибора основана на разности потенциалов (электродвижущая сила), которая образуется между электродами в исследуемой среде. Можно сказать, что рН-метр — это милливольтметр. Так как электродвижущая сила пропорциональна уровню кислотности, то измерения производятся в рН.

Электроды имеют разное строение и назначение:

Измерительный. Реагирует на ионы водорода. Изготавливается из стекла, потому что этот материал не вступает в реакцию с большинством сред. Измерительные электроды сделаны из боросиликатного стекла, которое не боится окислителей. Но в то же время, борсиликат достаточно тонкий и электропроводный.

Индикаторный электрод. Имеет вид трубки с шариком на конце. Трубка наполняется смесью хлорида серебра и соляной кислоты. В эту суспензию помещается серебряная проволока, выполняющая роль электрода. В трубке перемещаются положительно заряженные ионы водорода.

Вспомогательный (или электрод сравнения). В корпусе электрода содержится ртутно-каломелевая паста, которая помещена в хлорид калия. Раствор хлорида калия выполняет роль проводника между исследуемой средой и пастой. Работает в паре с индикаторным электродом.

Современные рН-метры обычно совмещают в одном корпусе измерительные и вспомогательные электроды. Это позволяет производить измерения быстро, с минимальными погрешностями

Для измерения кислотности среды электрод погружают в исследуемый раствор. Так как ионы имеют заряд, то при погружении в раствор происходит замыкание электрической цепи между сравнительным и измерительным электродами. Возникает электродвижущая сила, под действием которой электроны переносятся к вспомогательному электроду. Так как внутри трубки концентрация положительно заряженных ионов водорода постоянная, то электродвижущая сила отражает активность ионов водорода в исследуемой среде.

На электродвижущую силу влияет температура образца. Поэтому для получения максимально достоверных данных измерения производятся при температуре +25°С. Но нередки ситуации, когда замер нужно сделать во время производственного процесса или получить образец с указанной температурой нельзя. Здесь проблему решают встроенные термодатчики для автоматической или ручной компенсации. Они позволяют отобразить уровень кислотности с учетом температуры.

Виды рН-метров и их использование

В зависимости от сложности прибора, его точности и назначения, рН-измерители делятся на:

Базовые модели. Карманные устройства, где электроды встраиваются в корпус. Они применяются для быстрого анализа жидкости или почвы, часто используются в быту или в сельском хозяйстве. Обычно оснащены термодатчиками. Минусы приборов в том, что они не дают высокую точность, а датчики и электроды не подлежат замене и обслуживанию.

Профессиональные переносные устройства. Они оснащены съемными электродами, поэтому в случае повреждения или выхода из строя их можно заменить. Профессиональные рН-метры имеют высокую точность измерений, оснащены памятью для хранения данных и переноса их на компьютер. Кроме того, профессиональные приборы часто имеют дополнительные функции, например, измерение окислительно-восстановительного потенциала или антиоксидантного эффекта пищи. Такие устройства используются в химической промышленности, в производственной сфере, в исследовательских лабораториях и медицине.

Стационарные с аналоговыми выходами. Самое главное преимущество — контроль уровня кислотности долгое время в различных атмосферных условиях. Значения рН отображаются на дисплее или передаются в пункт сбора данных. Наличие релейных выходов помогает автоматизировать некоторые процессы. При достижении определенного уровня рН, аналоговый сигнал поступает на дозатор, который меняет значения рН. Стационарные измерители используются в химической промышленности или на очистительных станциях, где важно контролировать уровень кислотности без перерыва.

По способу калибровки рН-метры делятся на одноточечные, двухточечные, трехточечные.

Калибровка

Время от времени прибор необходимо настраивать. При регулярном использовании устройства, калибровка проводится раз в месяц. Настройку необходимо сделать после замены электродов, при анализе жидкостей в широком диапазоне, при проведении исследования агрессивных сред. Если вы сомневаетесь в правильности измерений прибора, также стоит провести калибровку.

Для настройки используются специальные растворы с известной кислотностью. Перед калибровкой необходимо поместить электроды в дистиллированную воду, хорошо промыть их. Одноточечные устройства настраиваются в среде растворе с рН 6,86 с помощью винта. Нужно опустить устройство калибровочную среду и подкрутить винт до совпадения показаний рН-метра с уровнем раствора.

Двухточечные устройства отличаются более высокой точностью, поэтому для его настройки используются 2 винта. Калибровка происходит в 2 этапа. Первый аналогичен одноточечной настройке. Для второго этапа берутся поочередно растворы с рН 4.01, 6.86, 9.18, 10.01.

Трехточечная настройка производится очень редко. Калибровку нужно производить при температуре +25°С.

В качестве заключения отметим, что самая уязвимая часть рН-метра — электроды. Срок службы составляет от 1 года до 4 лет. Чтобы продлить эксплуатационные качества прибора, бережно обращайтесь с устройством. Соблюдайте правила использования рН-метра, указанные в инструкции.