Лабораторная работа № 8 «Изучение приборов для измерения концентрации водородных ионов»

Цель лабораторной работы

Изучение принципа действия и устройства лабораторного многопредельного рН-метра рН-673М. Изучение конструкции стеклянного, каломельного и хлорсеребряного электродов.

Измерение концентрации водородных ионов

Кислотность и щелочность любых водородных растворов кислот и щелочей можно выразить в функции концентрации водородных ионов, которая может быть определена по величине потенциала, возникающего на границе различных электродов, опущенных в раствор.

Скорость  диссоциации V₁ пропорциональна действующей массе недиссоциированных молекул воды, т.е.

V₁ = k₁*[H₂O] (24)

Скорость маляризации V₂ пропорциональна произведению концентрации ионов Н и ОН, т.е.

V₂ = k₂*[H⁺]*[OH^-], (25)

При равновесии V₁₌ V_2, тогда

k₁/k₂ = k = [H⁺]*[OH^-] / [H₂O], (26)

где k - константа диссоциации.

Опытами установлено, что для нейтральных растворов [H⁺]=[OH^-]=10^-7 г-моль/л. При растворении в воде кислоты концентрация ионов водорода [H⁺] увеличивается, а при растворении щелочи - уменьшается. Поэтому у кислых растворов [H⁺] > 10, а у щелочи [H⁺] < 10.

На практике концентрацию водородных ионов численно характеризуют отрицательным логарифмом концентрации ионов водорода, так называемым водородным показателем pH:

pH = -lg ([H⁺]). (27)

При этом нейтральная реакция раствора соответствует pH=7, кислая pH<7, щелочная pH>7.

Измерение активности водородных ионов производится с помощью электродов. При внесении электрода в водный раствор возникает пограничный (электродный) потенциал, величина которого определяется активной концентрацией ионов в растворе. Измерить абсолютно значение указанных потенциалов трудно. Поэтому в систему вводится дополнительный, сравнительный, электрод, обладающий определенными, постоянным по величине потенциалом. В качестве измерителей применяются водородные  и стеклянные электроды, в качестве сравнительных - каломельные и хлорсеребрянные.

Градуировка и проверка pH-метров производится по образцовым (буферным) растворам, значение pH которых устойчиво и не изменяется при небольшом разбавлении.

Измерение разности потенциалов преобразователя со стеклянным электродом должно осуществляться вторичным прибором с большим входным сопротивлением, т.к. величина сопротивления больше 10 МОм.

Оборудование для измерения концентрации водородных ионов

Лабораторный рН-метр-милливольтметр рН-673М представляет собой настольный прибор, состоящий из преобразователя и штатива.

Конструктивно преобразователь выполнен в виде отдельного блока, в котором раз­мещены элементы электрической семы.

Электрическая схема, монтаж которой выполнен на печатных платах, разбита на блоки: блок усилителя, блок измерения, блок преобразователя, блок генератора управляю­щих импульсов и блок стабилизации.

Измерительная часть схемы выполнена в виде отдельного блока, который крепится ко дну корпуса преобразователя. Связь между блоком измерения и остальной частью элек­трической схемы осуществляется внутри прибора с помощью разъема.

На лицевую панель (рис.28) вынесены следующие элементы:

Микроамперметр 6, ручка потенциометра температурной компенсации 4, ручка пе­реключателя диапазонов измерения 5, ручка переключателя рода работ 3, кнопка включения прибора 2 и индикатор напряжения питания 1.

Лицевая панель прикрывает доступ к потенциометрам заводской настройки.

Рис. 28 - Лицевая панель рН-метра.

1 - индикатор; 2 - кнопка; 3 - ручка переключателя рода работ; 4 - ручка потенциометра температурной компенсации; 5 - ручка переключателя диапазонов измерения; 6 - микроам­перметр.

Штатив предназначен для крепления электродов и установки сосуда с контролируе­мым раствором при измерении.

На штативе закрепляются два кронштейна, высота которых может регулироваться в зависимости от вида измерений (измерение в станке, измерение в термостатированной ячей­ке, измерение в ячейке для микроизмерений).

Для измерения величины рН используется электродная система со стеклянным элек­тродом, электродвижущая сила которого зависит от активности ионов водорода в растворе. Схема такой электродной системы приведена на рисунке 29.

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

Рис. 29 - Схема измерения рН-раствора.

1 - полый шарик из электродного стекла; 2 - стеклянный электрод; 3 - внутренний контактный электрод; 4 - вспомогательный электрод; 5 - электролитический ключ; 6 - пористая перегородка; 7 - рН-метр.

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

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

Е_х = R*T / F - ln dH = -2.3 - R*T / F – pH, (28)

где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,315x10^-7;

Т - температура раствора, К;

F - 96500 кулон (г-эков) число Фарадея;

dH - активность ионов водорода в растворе;

рН - величина рН раствора.

Для создания электрической цепи при измерении применяются контактные электро­ды: внутренний хлорсеребряный электрод 3, осуществляющий электрический контакт с раствором, заполняющим внутреннюю часть стеклянного электрода и каломельный электрод (так называемый вспомогательный электрод) 4, осуществляющий электрический контакт с контролируемым раствором.

Для защиты от воздействия высоких температур (при измерении рН горячих раство­ров) вспомогательный электрод помещают вне контролируемого раствора и соединяют с ним при помощи электрического ключа 5 - трубки, заполненной насыщенным раствором хлори­стого калия и заканчивающейся пористой перегородкой 6.

Раствор хлористого калия непрерывно просачивается через пористую перегородку, предотвращающую проникновение из контролируемого раствора в систему электрода 4 по­стоянных ионов, которые могли бы изменить величину ЭДС электрода.

ЭДС электродной системы равна алгебраической сумме ЭДС контактных электродов Е_к и Е_всп, ЭДС, возникающей на внутренней поверхности стеклянного электрода Е_вн опре­деляемой величиной рН внутреннего раствора, и ЭДС, возникающей на наружной поверхно­сти стеклянного электрода E_x.

Величины Е_к, Е_всп, и Е_вн не зависят от состава контролируемого раствора и меня­ются только при изменении температуры.

Ε = Е_к + Е_всп + Е_вн + Е_х

  Суммарная ЭДС электродной системы линейно зависит от величины рН раствора. Изменяя ЭДС электродной системы с помощью рН-метра 7, шкала которого градуи­рована в единицах рН, определяют величину рН контролируемого раствора.

Элементарная схема, поясняющая принцип действия преобразователя приведена на рисунке 30.

Электродвижущая сила Е_х электродной системы сравнивается с падением напряже­ния на сопротивлении R, через которое протекает ток I_вых оконечного каскада усилителя. Падение напряжения U на сопротивлении R противоположно по знаку ЭДС Е_х, и на вход усилителя подается напряжение:

U_вх = E_х- U_вых =Е_x - I_вых · R

  Напряжение U_вх преобразуется в переменное напряжение, которое затем много­кратно усиливается и при помощи демодулятора вновь преобразуется в постоянное напря­жение. Это напряжение управляет током I_вых оконечного каскада усилителя.

 

Принцип действия рН-метра

Стеклянный электрод 2 (рис.19) заполнен децинормальным раствором соляной кисло­ты, в которую погружен вспомогательный хлорсеребряный контактный электрод 3. Послед­ний служит для снятия потенциала с внутренней поверхности шарика и представляет собой посеребренную платиновую проволоку диаметром 0,3 мм покрытую хлористым серебром. Потенциал в таких электродах возникает на границе серебро - хлористое серебро.

В качестве вспомогательного электрода в датчике применяется проточный кало­мельный электрод. Насыщенный раствор хлористого калия медленно (около 20 мл в сутки) вытекает в контролируемый раствор из полиэтиленового сосуда по резиновой трубке и нако­нечнику, имеющему прокладку из микропористого материала.

Вытекание раствора хлористого калия через пористую перегородку регулируется винтом.

Непрерывный поток раствора хлористого калия через пористую перегородку создает четкую границу между раствором хлористого калия и контролируемым раствором.

В этом случае диффузионный потенциал на границе между растворами имеет ста­бильную весьма малую величину, что позволяет производить измерения с высокой точностью.

Рис.30 - Схема элементарная прибора.

Стартовое положение

Стартовое положение прибора в данной лабораторной работе представлено на рисунке 31.

Рис. 31 - Внешний вид рН-метра в лаборатории.

Порядок действий

1. Включите блок питания прибора в розетку.

2. Налейте раствор в мерный стакан, а из него в рабочий.

3. Опустите электроды в стакан.

4. Включите прибор. Прибор покажет уровень pH раствора, также данные занесутся в табель.

5. Выключите прибор.

6. Выньте электроды из стакана.

7. Промойте электроды.

8. Повторите еще 9 испытаний для данного раствора с п.3.

9. Повторите весь эксперимент для всех растворов. Результаты измерений занесите в отчет.

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:

1. Краткое описание и принцип действия лабораторного рН-метра рН-673М.

2. Таблица с записью 10 - кратного измерения рН неизвестного раствора.

3. Расчеты доверительного интервала для каждого раствора.

Таблица 10 – Протокол поверки уровнемера

Раствор / Опыт	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	Среднее значение
Раствор 1
Раствор 2
Раствор 3
Раствор 4

 

 Контрольные вопросы

1.     Электрическая схема датчика.

2.     Измерительный электрод.

3.     Сравнительный электрод.

4.     Что такое рН, рН кислотной, щелочной, нейтральной среды.