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pH计是如何工作?以及ph计的发明者

2018-12-08 15:05:22 PH计 点击数:

pH计如何工作?

如果你使用石蕊试纸,这一切都不重要。基本的想法是纸张在pH值为1到14之间的溶液中会变成稍微不同的颜色,通过比较纸张和颜色表,您可以简单地读取酸度或碱度而不必担心有多少氢离子。但是pH计必须以某种方式测量氢离子的浓度。它是如何做到的?

酸性溶液中的氢离子比碱性氢离子多得多,因此在某种情况下它具有产生电流的更大潜力 - 换句话说,它有点像电池可以产生更大的电压。pH计利用这一点并像电压表一样工作:它测量我们感兴趣的酸度溶液产生的电压(电势),将其与已知溶液的电压进行比较,并使用电压差(它们之间的“潜在差异”)推断出pH值的差异。

 

pH计是如何工作?以及ph计的发明者

这是什么做的?

典型的pH计有两个基本组件:仪表本身,可以是一个动圈式仪表(一个指针可以按比例移动)或一个数字仪表(一个带数字显示),以及一个或两个探头您插入到正在测试的解决方案中。为了使电流通过某物,你必须创造一个完整的电路; 因此,为了使电流通过测试溶液,您必须将两个电极(电气端子)放入其中。如果您的pH计有两个探头(如本文顶部照片中的探头),每个探头都是一个独立的电极; 如果您只有一个探头,两个电极都内置在它内部,以简化方便。

电极不像普通电极(简单的金属线); 每一个都是一个独立的迷你化学品。作为最重要工作的电极,称为玻璃电极,具有悬浮在氯化钾溶液中的 银基电线,其包含在由含有金属盐的特殊玻璃制成的薄灯泡(或膜)内 (通常钠和钙的化合物)。另一个电极称为参比电极,并具有悬浮在氯化钾溶液中的氯化钾线。

显示pH计如何工作的图表。

图稿:pH计的关键部件:(1)正在测试的溶液; (2)玻璃电极,由(3)含有金属盐的二氧化硅玻璃薄层构成,其中有氯化钾溶液(4)和由银/氯化银制成的内电极(5)。(6)在测试溶液中形成的氢离子与玻璃的外表面相互作用。(7)在氯化钾溶液中形成的氢离子与玻璃的内表面相互作用。(8)仪表测量玻璃两侧之间的电压差,并将该“电位差”转换为pH读数。(9)参考电极作为测量的基线或参考 - 或者您可以将其视为简单地完成电路。

它是如何工作的?

玻璃电极内的氯化钾(此处显示为橙色)是pH为7的中性溶液,因此含有一定量的氢离子(H +)。假设您正在测试的未知溶液(蓝色)酸性更强,因此它含有更多的氢离子。玻璃电极的作用是通过测量氢离子产生的电压差来测量橙色溶液和蓝色溶液之间的pH差异。由于我们知道橙色溶液(7)的pH值,我们可以计算出蓝色溶液的pH值。

动画显示在离子交换水过滤器中镁和钙离子如何与钠交换。

动画:离子交换在起作用。

它是怎么运行的?当您将两个电极浸入蓝色测试溶液中时,一些氢离子移向玻璃电极的外表面并替换其中的一些金属离子,而一些金属离子从玻璃电极移动到蓝色解。这种离子交换过程称为离子交换,这是玻璃电极如何工作的关键。离子交换也发生在橙色溶液的玻璃电极的内表面上。玻璃两侧的两种溶液具有不同的酸度,因此在玻璃的两侧发生不同量的离子交换。这在玻璃的两个表面上产生不同程度的氢离子活性,这意味着在它们上形成不同量的电荷。这种电荷差异意味着在玻璃的两侧之间出现微小的电压(有时称为电位差,通常为几十或几百毫伏),这会在银电极(5)和参比电极之间产生电压差( 8)显示为仪表的测量值。

虽然仪表是测量电压,但是刻度(或数字显示器)上的指针实际上显示的是pH测量值。橙色(内部)和蓝色(外部)溶液之间的电压差越大,氢离子活性之间的差异就越大。如果蓝色溶液中有更多的氢离子活性,它的酸性比橙色溶液更强,仪表显示pH值较低; 同样地,如果蓝色溶液中的氢离子活性较低,则仪表显示pH值较高(碱性较强)。

进行准确的pH测量

为了使pH计准确,它们必须进行适当校准 (仪表准确地将电压测量值转换为pH测量值),因此在开始使用它们之前通常需要进行测试和调整。您可以通过将pH计浸入缓冲液 (已知pH值的测试溶液)来校准pH计并相应地调整仪表。另一个重要的考虑因素是这种方式的pH测量取决于温度。有些仪表有内置温度计并在温度变化时自动校正自己的pH值; 如果您在进行多种不同的测量时可能会出现温度波动,那么这些是最好的。或者,您可以自己更正pH测量,或通过校准仪器并在大致相同的温度下进行pH测量来进行测量。

谁发明了pH计?

Arnold Beckman的玻璃电极放大器pH计,于1934年开发,来自美国专利2,058,761。

我们要为这些聪明的东西感谢谁?首先,获得诺贝尔奖的德国化学家Fritz Haber(1868-1934)和他的学生Zygmunt Klemensiewicz(1886-1963)在1909年开发了玻璃电极的想法。现代的电子 pH计是在大约25年后发明的,1934年,当美国化学家阿诺德贝克曼(1900-2004)想出如何将玻璃电极连接到放大器和电压表以制造更灵敏的仪器时。他于1936年10月获得了专利。

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