PH計(jì)(又稱酸度計(jì))是一種用于精密測(cè)量溶液酸堿度的儀器,其核心原理基于電化學(xué)效應(yīng)與能斯特方程,通過(guò)測(cè)量電極系統(tǒng)與被測(cè)溶液之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)?yè)Q算pH值。
一、核心測(cè)量原理:原電池電動(dòng)勢(shì)與能斯特方程
PH計(jì)(酸度計(jì))的工作原理本質(zhì)上是利用了一個(gè)原電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)電極——指示電極(通常為玻璃電極)和參比電極(如甘汞電極或銀-氯化銀電極)——同時(shí)浸入待測(cè)溶液中構(gòu)成。參比電極的關(guān)鍵作用是提供一個(gè)已知且穩(wěn)定的電極電位,作為測(cè)量的基準(zhǔn)。而玻璃電極的獨(dú)特之處在于其前端對(duì)氫離子敏感的特殊玻璃薄膜。當(dāng)它接觸溶液時(shí),其膜電位會(huì)響應(yīng)溶液中氫離子活度的變化而變化。
這兩個(gè)電極在溶液中構(gòu)成的原電池,其產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)(E電池)是參比電極電位(E參比)與玻璃電極電位(E玻璃)的代數(shù)和,即 E電池 = E參比 + E玻璃。此電動(dòng)勢(shì)與溶液中氫離子活度之間的關(guān)系遵循能斯特方程:E = E? + (RT/F) * ln[H?]
其中E為電極電位,E?為標(biāo)準(zhǔn)電極電位,R為氣體常數(shù),T為熱力學(xué)溫度,F(xiàn)為法拉第常數(shù),[H?]為氫離子濃度。將方程轉(zhuǎn)換后可得,在25℃時(shí),溶液每變化1個(gè)pH單位,電極電位相應(yīng)改變約59.16毫伏。PH計(jì)內(nèi)部高阻抗的精密電位計(jì)(電流計(jì))負(fù)責(zé)測(cè)量這個(gè)微小的電位差,并將其放大,最終直接轉(zhuǎn)換為pH讀數(shù)顯示出來(lái)。
二、溫度補(bǔ)償?shù)闹匾?/strong>
能斯特方程中的電位變化值與溫度(T)直接相關(guān)。因此,為了確保在不同溫度下測(cè)量的準(zhǔn)確性,現(xiàn)代PH計(jì)均設(shè)有溫度補(bǔ)償功能(如溫度補(bǔ)償旋鈕或自動(dòng)溫度感應(yīng)探頭),以修正因溫度變化引起的測(cè)量偏差。
三、儀器的關(guān)鍵組件與現(xiàn)代發(fā)展
傳統(tǒng)的儀器分離式電極已較多地被復(fù)合電極所取代。復(fù)合電極將玻璃指示電極和參比電極集成于一體,并填充有飽和KCI溶液作為內(nèi)參比液,使用更為方便。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和精度要求,儀器發(fā)展出多種類型,包括筆式、便攜式、實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式和高精度工業(yè)在線式等。其精度等級(jí)從0.2級(jí)到0.001級(jí)不等,數(shù)字越小,精度越高。
四、操作中校準(zhǔn)的必要性
由于電極電位會(huì)隨時(shí)間緩慢變化,為了獲得準(zhǔn)確結(jié)果,測(cè)量前必須對(duì)PH計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn),通常采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)法。即先用pH=7的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液進(jìn)行“定位”校準(zhǔn),再根據(jù)待測(cè)溶液的酸堿性,選用pH=4(對(duì)于酸性溶液)或pH=9.18/10(對(duì)于堿性溶液)的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液進(jìn)行“斜率”校準(zhǔn)。校準(zhǔn)能有效消除電極的不對(duì)稱電位和液接電位等因素帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。
總而言之,PH計(jì)(酸度計(jì))基于電化學(xué)原理,通過(guò)精密測(cè)量由氫離子活度變化引起的電極電位差,并利用能斯特方程將其轉(zhuǎn)換為pH值。其設(shè)計(jì)巧妙融合了化學(xué)、物理學(xué)和電子學(xué)技術(shù),使之成為科研和工業(yè)領(lǐng)域至關(guān)重要的分析工具。


