pH计,你真的了解么?(放入收藏夹)

文摘   2024-09-19 07:18   江苏  
pH计(又称酸度计),主要用来精密测量液体介质的酸碱度值,作为普及率高、易上手、操作简单的一种实验室仪器,广泛用于实验室和工业生产现场,包括台式、便携式、在线过程检测式等。然而,要正确的用好pH计,我们还需要对pH计进行深入的了解,如标准缓冲液,pH电极,如何校准等……

pH标准缓冲溶液是一种特殊的溶液,它具备维持pH值稳定的能力。这种溶液的特点是,即使在加入少量的酸或碱,或者在溶液中发生化学反应产生少量的酸或碱,甚至在溶液被适当稀释的情况下,其pH值仍能保持相对稳定。简而言之,这种溶液能够抵抗小量的酸碱变化或稀释,从而保持pH值的恒定。

pH标准缓冲溶液具备以下特性:①其pH值是预先确定的,并且精确到规定的程度。②它的pH值具有很高的再现性和稳定性,这意味着它拥有较大的缓冲能力,较小的稀释影响以及较小的温度变化敏感性。③制备这种溶液的方法简便易行

要制备pH标准缓冲溶液,可以遵循以下步骤:①选择一套适合的pH缓冲试剂套装,通常这些套装足以配制250毫升的溶液。②在配制过程中,务必使用去离子水,以确保溶液的纯净度。为了去除水中的二氧化碳,应将去离子水预先煮沸15至30分钟。③打开试剂的包装,将试剂倒入一个烧杯中。④使用适量的去离子水将试剂溶解,并确保将包装袋内的所有试剂都冲洗干净,以避免浪费。⑤将溶解后的试剂溶液转移到一个250毫升的容量瓶中。⑥向容量瓶中添加去离子水,直至达到刻度线,即250毫升。⑦盖紧容量瓶,然后彻底摇匀,以确保溶液均匀。

为了确保pH缓冲溶液的准确性和稳定性,以下是正确的保存和使用方法:①配制完成后,将缓冲溶液存放在玻璃或聚乙烯容器中。对于碱性pH缓冲溶液,如pH 9.18、pH 10.01、pH 12.46等,建议使用聚乙烯容器。②确保容器的盖子紧闭,以防止溶液受到外界环境的影响。③将容器存放在冰箱中,保持温度在5-10℃,以延长溶液的有效期,通常可存放约六个月。④在使用前,如果发现溶液出现混浊、发霉或沉淀,应立即停止使用。⑤使用时,将适量的缓冲溶液从大容器转移到几个50毫升的聚乙烯小瓶中,以便分次使用。⑥将小瓶放置在室温下1-2小时,让溶液温度与环境温度达到平衡,以确保测量的准确性。⑦使用后的溶液不应倒回大容器中,以避免污染。⑧在室温高于10℃的条件下,小瓶中的缓冲溶液通常可使用2-3天。对于pH 7.00、pH 6.86、pH 14.00这几种溶液,使用时间可以稍长一些。⑨注意,pH 9.18和pH 10.01溶液由于容易吸收空气中的二氧化碳,其pH值可能会较快发生变化,因此在使用时应更加注意其稳定性。

pH缓冲溶液在多个方面发挥着重要作用,具体包括:①校准pH计:在进行pH值测量之前,使用缓冲溶液来标定pH计,确保测量结果的准确性。②验证pH计的精确度:通过将pH计与已知pH值的标准缓冲溶液(如pH 4.01和pH 7.00)进行比较,来检验pH计的读数是否准确。例如,在使用pH计测量pH 7.00的溶液后,检查显示的pH值是否与标准溶液的pH值相匹配。③评估pH计是否需要重新校准:在常规测量中,pH计可能会因为使用或环境变化而出现漂移。在这种情况下,将pH电极插入与待测溶液pH值相近的标准缓冲溶液中,根据测量误差来决定是否需要重新进行校准。④检查pH电极的性能:使用缓冲溶液来评估pH电极的性能是否仍然符合要求,确保测量结果的可靠性。

在拿到一个新的pH计后,为什么需要对pH电极进行浸泡处理?如何正确进行浸泡?

①浸泡的必要性:pH电极的核心部件是pH球泡,这是一种特殊的玻璃膜,表面覆盖着一层凝胶。这层凝胶需要在湿润的环境下才能与溶液中的氢离子有效互动。浸泡过程有助于降低电极的不对称电势,使其趋于稳定,从而提高测量的准确性。

②浸泡液的选择:pH玻璃电极通常可以用蒸馏水或pH 4.00缓冲溶液进行浸泡。使用pH 4.00缓冲溶液效果更好。浸泡时间通常需要24小时或更长时间,具体取决于球泡玻璃膜的厚度和电极的老化程度。

③参比电极的浸泡:参比电极的液接界也需要浸泡,以防止干涸导致的电势增大或不稳定。参比电极的浸泡液应与外参比溶液一致,即3.3mol/L KCl溶液或饱和KCl溶液。浸泡时间一般为几小时。

④pH复合电极的浸泡:对于pH复合电极,需要在含KCl的pH 4.00缓冲液中浸泡,以同时对玻璃球泡和液接界起作用。

⑤注意事项:过去,人们习惯于使用去离子水或pH 4缓冲液浸泡单支pH玻璃电极。但在使用pH复合电极时,应避免这种错误的浸泡方法,因为它会导致电极响应变慢、精度降低。如果电极性能下降,可以在正确的浸泡溶液中重新浸泡数小时,以恢复性能。

⑥避免的错误:不要将pH电极长时间浸泡在中性或碱性缓冲溶液中,这会使pH玻璃膜响应迟钝。

⑦正确的浸泡液配制方法:pH 4.00缓冲剂(250mL)一包,溶于250mL纯水中。加入56克分析纯KCl,适当加热并搅拌至完全溶解。

pH电极的分类:

pH复合电极分为可充式和非可充式两种,它们在设计和使用上有一些显著的区别,如下。

外壳材料pH复合电极的外壳可以是塑料或玻璃材质。

可充式pH复合电极:这种电极在外壳上设有一个加液孔,以便在外部参比溶液(KCl溶液)流失后,可以打开加液孔补充KCl溶液。其具有以下特点:参比溶液的渗透速度较快,液接界电位稳定且可重现,从而提高了测量的精度;当参比电极的溶液减少或受到污染时,可以补充或更换KCl溶液;使用时需要打开加液孔以增加液体压力,加快电极的响应速度;当电解液液面低于加液孔2厘米时,需要及时补充新的电解液;缺点是使用起来相对麻烦一些。

非可充式pH复合电极:这种电极内部装有凝胶状的KCl,不易流失,且没有设置加液孔。其具有以下特点:维护简单,使用方便,因此被广泛采用;在长期和连续使用的情况下,液接界处的KCl浓度可能会减少,从而影响测试精度;非使用期间,建议将电极浸泡在专用的浸泡液中,以保持电极性能;对于不经常进行长期连续测试的实验室pH电极,这种结构对精度的影响较小;工业应用中,由于对测试精度的要求相对较低,使用方便性成为选择的主要考虑因素。

为了确保pH复合电极的准确性和延长其使用寿命,以下是正确的使用指南:

①排除气泡:确保电极的球泡前端没有气泡。如果存在气泡,应通过甩动电极来排除。

②清洁球泡:从浸泡液中取出电极后,应在去离子水中轻轻晃动并甩干,避免使用纸巾擦拭球泡。纸巾可能会因静电感应而在玻璃膜上留下电荷,这会延长电势稳定的时间。建议使用待测溶液冲洗电极。

③加速响应:将电极插入待测溶液后,轻轻搅拌并晃动几下,然后静置。这有助于加快电极的响应速度。对于塑料外壳的pH复合电极,搅拌和晃动的力度应更大一些,以确保排除球泡和塑壳之间可能形成的气泡。

④清洗电极:在粘稠性样品测试后,使用去离子水多次冲洗电极,以清除粘附在玻璃膜上的残留物。在某些情况下,可能需要先用其他溶剂清洗,然后再用水冲洗,并在浸泡液中活化。

⑤避免腐蚀性物质:避免电极接触强酸、强碱或腐蚀性溶液。如果必须测试这类溶液,应尽量减少电极的浸入时间,并在使用后彻底清洗。

⑥避免脱水性介质:不要在无水乙醇、浓硫酸等脱水性介质中使用电极,因为这些物质可能会损坏球泡表面的水合凝胶层。

⑦注意外壳材料:塑料外壳的pH复合电极(通常由聚碳酸酯塑料PC制成)在某些溶剂中可能会溶解,如四氯化碳、三氯乙烯、四氢呋喃等。如果测试样品中含有这些溶剂,可能会溶解电极外壳。在这种情况下,应选择玻璃外壳的pH复合电极。

为了维护pH电极的性能,当球泡和液接界受到污染时,应采取以下步骤进行清洗:

①识别污染物:常见的污染物包括无机金属氧化物、有机油脂、树脂和高分子物质、蛋白质和血球沉淀物、颜料等。

②选择合适的清洗剂:根据污染物的类型,可以选择以下清洗剂:稀酸(浓度低于1 mol/L)、弱酸性洗涤剂、稀酒精、丙酮、乙醚、酸性酶溶液(例如食母生片)、稀漂白液、过氧化氢。’

③清洗步骤:使用选定的清洗剂清洗电极,以去除污染物,清洗后,用去离子水彻底冲洗电极,以清除残留的清洗剂。

④活化电极:将清洗干净的电极浸入专用的浸泡液中,以活化电极并恢复其性能。

⑤注意事项:在选择清洗剂时,应考虑其对电极材料的兼容性,避免使用可能损坏电极的强酸或强碱;清洗过程中,应轻柔操作,避免对电极造成物理损伤。

当pH复合电极出现性能下降,如敏感度降低、响应速度变慢或读数重复性不佳时,可能是由于以下原因造成的,用户可以通过以下方法尝试修复:

球泡和液接界污染使用细毛刷、棉签或牙签等工具,仔细清除球泡和液接界上的污物;对于一些可拆卸保护罩的塑壳电极,旋下保护罩后进行清洗会更加方便;若污染严重,可以按照清洗指南使用适当的清洁剂进行清洗。

外参比溶液污染对于可补充溶液的电极,使用注射器将电极内的外参比溶液抽出,然后配制新的3.3mol/L或饱和KCl溶液加入;在首次和第二次添加新溶液后,应再次抽出,以确保电极内腔被彻底清洗干净。

③玻璃敏感膜老化:将电极球泡浸泡在0.1mol/L的稀盐酸中(将9mL盐酸用纯水稀释至100mL),浸泡24小时后用纯水冲洗干净。接着,将电极浸泡在专用的浸泡液中24小时,以帮助恢复其性能。对于严重钝化的电极,可以将电极下端短时间(3-5秒)浸泡在稀释的氢氟酸溶液中(将4mL氢氟酸用纯水稀释至100mL),然后用纯水冲洗干净。最后,将电极在浸泡液中浸泡24小时,以进一步恢复其性能。

在进行上述操作时,应谨慎处理,避免对电极造成进一步的损害。如果修复尝试无效,可能需要考虑更换新的电极。

为了确保测量结果的准确性,需要定期校准pH计,以补偿由于使用、温度变化、电极老化等因素引起的测量误差。常用的校准方式有一点校准和两点校准。

pH计的一点校准是一种简单的校准方法,适用于需要精确到0.1pH单位以下的测量。以下是一点校准的步骤:
①温度补偿:首先,测量标准缓冲溶液的温度,并根据温度-pH值对照表调整pH计的温度补偿旋钮至相应的温度值。
②清洁电极:使用纯水冲洗pH电极,并甩干以去除水分。
③校准过程:将电极浸入选定的标准缓冲溶液中,轻轻晃动后静置,直到读数稳定。调整pH计的定位旋钮,确保仪器显示的pH值与标准缓冲溶液的实际pH值相匹配。
④准备测量样品:取出电极,再次用纯水冲洗干净并甩干。
⑤样品温度调整:测量样品溶液的温度,并调整pH计的温度补偿旋钮至样品溶液的温度。

⑥测量样品将清洁后的电极浸入样品溶液中,轻轻晃动后静置,等待读数稳定,然后记录pH值。

一点校准方法适用于那些精度要求不是特别高的情况,它通过使用一个标准缓冲溶液来调整pH计,确保测量结果的准确性。如果需要更高精度的测量,可能需要采用两点或多点校准方法。

pH计的两点校准是一种用于提高pH计测量精度的方法,尤其适用于需要高精度测量的场合。以下是进行两点校准的步骤:

①初步准备:清洗pH电极并甩干,然后将其浸入pH 6.86或pH 7.00的标准缓冲溶液中,将温度补偿旋钮调整至溶液的实际温度。

②定位校准:等待pH计的读数稳定后,调整定位旋钮,确保仪器显示的pH值与所使用的标准缓冲溶液的pH值一致。

③斜率校正:清洗电极并再次甩干,然后将电极浸入第二种标准缓冲溶液中,这可以是pH 4.00(用于酸性条件)或pH 9.18或pH 10.01(用于碱性条件),当读数稳定后,调整仪器的斜率旋钮,使仪器的显示值与第二种标准溶液的pH值相匹配。

④验证校准:再次清洗电极并甩干,然后重新浸入最初的pH 6.86或pH 7.00标准溶液中,如果读数的误差超过0.02pH,需要重复步骤1和2,直到在两种标准溶液中都能自动显示正确的pH值,无需进一步调整。

⑤测量样品:清洗电极并甩干,将pH计的温度补偿旋钮调整至样品溶液的温度,将电极浸入样品溶液中,轻轻晃动后静置,等待读数稳定,然后记录pH值。

通过两点校准,pH计能够更准确地测量样品的pH值,这对于科研、环境监测和工业生产等领域的高精度要求至关重要。

温度对pH值的精确测量具有显著影响。对于pH电极,温度变化对pH值的影响大约是每摄氏度0.003个pH单位。以一个例子来说明:假设使用一个精度为0.2级的pH计,在30℃的条件下对pH缓冲液进行校准,随后用于测量60℃的溶液(假设溶液的pH值在68的范围内,与pH 7.00相差一个pH单位),那么由于温度变化引起的最大误差可能达到 30×0.003= 0.0930×0.003  = 0.09 pH单位。如果pH值的变化范围是3pH单位(在pH 410的范围内),则最大误差可能为 0.270.27 pH单位。由此可见,温度对pH测量的影响不容忽视。
为了降低温度变化对pH测量结果的误差,应考虑以下建议:①选择接近被测溶液pH值的缓冲溶液进行校准:这样可以确保校准过程与实际测量条件更为接近。②确保校准溶液的温度与被测溶液的温度一致或接近:温度的一致性有助于减少因温度差异引起的测量误差。③使用具有温度补偿功能的pH计:高精度pH计(精度高于0.1pH)通常配备有温度补偿调节功能。而0.2级pH计通常不包含温度补偿功能。
值得注意的是,有些0.2级pH计虽然声称具有0.1级的精度,但实际上这是不可能的,因为它们没有温度补偿功能。即使是在pH值相差一个单位的情况下,60℃的温度差异也可能导致高达0.18pH的误差。因此,没有温度补偿的pH计,其最高精度通常只能达到0.2pH。

温度补偿功能在pH计中用于减少温度变化对测量结果的影响,但它并不能完全消除所有由温度引起的误差。以下是一些关键点:

①温度补偿的局限性:pH计中的温度补偿主要针对电极的斜率项(2.303RT/F)进行调整,这是pH测量中温度影响的一个主要因素,然而,温度还会影响玻璃电极的标准电势和液接界电势等其他参数,这些参数与温度的关系并不总是严格的线性关系。

②温度平衡时间:pH电极需要一定的时间来适应新的温度环境并达到平衡。在这段时间内,测量结果可能会受到温度变化的影响。

③手动与自动温度补偿:无论是手动还是自动温度补偿,都无法完全补偿所有温度引起的误差。这些补偿方法只能减少部分误差,但无法完全消除。

④等温测量原理:为了获得最精确的测量结果,根据pH测量的操作定义,样品溶液和标准溶液应在相同且恒定的温度下进行测量。这就是所谓的等温测量原理。
一般精度要求的测量对于不需要极高精度的pH测量,如果样品溶液和标准溶液的温度不同,可以使用温度补偿功能来减少误差。

总之,虽然温度补偿功能有助于减少温度对pH测量的影响,但它并不能完全消除所有误差。在高精度要求的测量中,应尽可能采用等温测量方法,确保样品和标准溶液在相同温度下进行测量。

要验证pH计的准确性,用户不应依赖主观经验或非标准化的方法,而应采用科学且标准化的检测手段。以下是如何确定pH计准确性的步骤:

①选择标准缓冲溶液:准备三个不同pH值的标准缓冲溶液,推荐使用pH 6.86、pH 4.00、pH 9.18,确保这些溶液是新配制的且温度一致。

②进行定位校准:使用pH 6.86的标准缓冲溶液进行初步校准,也称为定位校准。

③进行斜率校准:接着使用pH 4.00的标准缓冲溶液进行斜率校准,这一步骤有助于调整pH计的响应斜率。

④最终测试:使用pH 9.18的标准缓冲溶液进行测试,这一步将验证pH计在不同pH值范围内的准确性。

⑤评估结果:通过比较pH计显示的值与标准缓冲溶液的实际pH值,可以判断pH计的准确性。如果读数与标准值一致或非常接近,则说明pH计是准确的。

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