pH-метры, иономеры, кондуктометры

рН-метр - во главе потенциометрии


Электрохимические методы анализа основаны на измерении электрической проводимости, потенциалов, тока и других величин. Характерной особенностью при этом является электрический характер аналитического сигнала. Группа электрохимических методов анализа включает методы потенциометрии, кондуктометрии, кулонометрии и др.

 

Потенциометрические методы анализа


Потенциометрические методы анализа подразделяют на прямую потенциометрию (ионометрию) и потенциометрическое титрование. Методы прямой потенциометрии основаны на прямом применении уравнения Нернста для нахождения активности или концентрации участника электродной реакции по экспериментально измеренной ЭДС цепи или потенциалу соответствующего электрода. При потенциометрическом титровании точку эквивалентности определяют по резкому изменению (скачку) потенциала вблизи точки эквивалентности.


Основными достоинствами потенциометрического метода являются его высокая точность, высокая чувствительность и возможность проводить титрования в более разбавленных растворах, чем это позволяют визуальные индикаторные методы.
Необходимо отметить также возможности определения этим методом нескольких веществ в одном растворе без предварительного разделения и титрования в мутных и окрашенных средах.
Значительно расширяется область практического применения потенциометрического титрования при использовании неводных растворителей. Они позволяют, например, найти содержание компонентов, которые в водном растворе раздельно не титруются, провести анализ веществ, нерастворимых или разлагающихся в воде и т.д.
Немаловажным достоинством потенциометрии является также возможность автоматизировать процесс титрования. Промышленность выпускает несколько типов автотитраторов, использующих потенциометрические датчики.


рН-метры и иономеры – приборы для потенциометрического анализа, измеряют электродвижущую силу (ЭДС) создаваемую электрохимической ячейкой, состоящей с измерительного электрода, электрода сравнения и водного раствора.


рН - это отрицательный логарифм активности ионов водорода в водном растворе.
рХ имеет тоже самое определение, но применительно к другим ионам. Иными словами, это логарифмические показатели активной концентрации ионов водорода (рН), нитратов (рNO3), калия (рК) и т. д. в водном растворе.
рН (рХ) не являются физическими величинами, хотя при их определении выполняют измерения таких физических величин как ЭДС, температура, а результаты измерений представляют или в значениях рН (рХ) (безразмерные величины) или в единицах концентрации или массовой доли определенного иона, когда оценивают содержание веществ по показаниям рХ.


Для определения величины pH существуют два основных метода: колориметрический и потенциометрический.
Колориметрический метод основан на изменении окраски индикатора, добавленного к исследуемому раствору, в зависимости от величины pH. Этот метод недостаточно точен, требует введения солевых и температурных поправок, дает значительную погрешность при очень малой минерализации исследуемой воды (менее 30 мг/л) и при определении pH окрашенных и мутных вод. Метод нельзя применять для вод, содержащих сильные окислители или восстановители. Используется обычно в экспедиционных условиях и для ориентировочных определений.
Потенциометрический метод намного точнее, лишен в значительной мере всех перечисленных недостатков, но требует оборудования лабораторий специальными приборами - pH-метрами. Потенциометрический метод основан на измерении ЭДС электродной системы, состоящей из индикаторного электрода и электрода сравнения. Электрод сравнения иногда называют вспомогательным электродом.
Наибольшее практическое применение нашел стеклянный индикаторный электрод, который можно использовать в широком диапазоне pH и в присутствии окислителей.
Кроме стеклянного электрода, для определения величины pH применяются также водородный, хингидронный, сурьмяный и другие электроды. Однако широкого распространения они не получили.

Все электрохимические методы основаны на выборе и применении системы электродов, которые определяют селективность, воспроизводимость, точность анализа. Система электродов состоит из одного комбинированного, двух или трех электродов. Обязательным является наличие двух электродов — индикаторного (измерительного) и стандартного (электрод сравнения). Индикаторный электрод должен быстро и обратимо реагировать на изменение концентрации определяемого иона.
Стандартный электрод имеет постоянный, не изменяющийся в ходе определения, потенциал. В зависимости от решаемой задачи индикаторный и стандартный электроды могут быть различными. Для точных измерений применяют третий — термочувствительный электрод. Электроды нового поколения содержат внутри одного корпуса сразу два электрода, что значительно увеличивает компактность и упрощает аппаратуру методов. Для осуществления той или иной аналитической задачи электрохимическими методами наиболее важной является стадия выбора системы индикаторного и стандартного электродов.


В иономере применяют рН-электрод и электроды селективные к другим ионам. В качестве электрода сравнения в обоих приборах применяют хлорсеребряный электрод.
Различия между этими приборами сводятся только к типу используемого измерительного электрода и некоторым дополнительным функциям, которые присущи иономерам.


Чтобы можно было сравнивать результаты измерений рН, выполненных в разных лабораториях, необходимы эталоны рН, которые составляют шкалу рН.
В странах СНГ состав и значения точек шкалы рН, в диапазоне температур от 0 до 95 С, определяет ГОСТ 8.134 "Шкала рН". В соответствии с этим стандартом, имеются шестнадцать растворов известного состава, которые называются буферные растворы рН (БР), значение рН которых определено в диапазоне температур. БР служат эталонами рН.
Эталонами рХ служат Государственные стандартные образцы состава ионов или аттестованные растворы солей, называемые еще растворами сравнения.
Эталоны рН делятся на разряды в зависимости от точности эталона. Так эталоны рН 2-го разряда имеют погрешность рН равную ±0,01.
Буферные растворы обычно готовят из стандарт-титров и аттестуют их по методике приготовления. В процессе приготовления эталона из стандарт-титров можно допустить ошибку и тогда буферный раствор будет иметь погрешность, большую, чем нормируемая погрешность БР. При ответственных измерениях всегда нужно пользоваться БР, приготовленными уполномоченными на этот вид деятельности организациями.
Погрешность рХ аттестованных растворов зависит также от методики приготовления.


Могут ли лабораторные приборы использоваться как промышленные? 


Теоретически - да, практически - нет. Принцип измерения pH в промышленном и лабораторном рН- метрах одинаков. Но существенно отличаются условия эксплуатации приборов и, следовательно, выдвигаемые требования - к промышленных приборам требования значительно жестче, чем к лабораторным.
Условия эксплуатации определяют, в виде требований стандартов государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), конструкцию промышленного рН- метра и его характеристики. Требования стандартов ГСП определяют устойчивость прибора к механическим, климатическим, электромагнитным и другим воздействиям на прибор, надежность прибора. Современные промышленные рН-метры, по возможности, должны обладать функциями формирования цифровых сигналов и использовать протоколы обмена между промышленными приборами, которые широко распространены на Западе, при построении автоматизированных систем промышленных приборов. C другой стороны, промышленный pH-метр в качестве электрохимической ячейки использует датчик pH, а лабораторный pH-метр работает с pH-электродами, которые, для датчика pH являются одной из составных частей. В этом заключается еще одно отличие между промышленным и лабораторным pH- метрами.
рН-метры и иономеры должны иметь функции, позволяющие снизить случайную составляющую погрешности измерений, определять пригодность электродов к измерениям, запоминать результаты измерений. Иономеры и нитратомеры, должны поддерживать стандартные методики измерения нитратов.
Иономеры широкого применения, должны поддерживать несколько методов измерения концентрации, например, метод прямой потенциометрии, метод известной добавки и др. Они должны запоминать параметры нескольких градуировочных характеристик.

 

Как правильно выбрать приборы для электрохимического анализа?


В зависимости от поставленных задач Вы можете приобрести рН-метры, иономеры, кондуктометры или приборы для комплексного электрохимического анализа, которые к тому же могут быть как  стационарными, так и портативными.                                                                                                                                              Наиболее дешевыми приборами на рынке оборудования данного сегмента являются приборы российского и белорусского производства, например выпускаемые компаниями ЗАО НКПФ "Аквилон" (Москва), Гомель ЗИП (Беларусь).  В нижнем ценовом диапазоне работает и ряд некоторых западных фирм - HANNA Instruments (Германия),  HACH Ultra (США) и другие.                                                                                                    Но безусловным лидером  в производстве лабораторного оборудования для электрохимического анализа является  компания Mettler Toledo (Швейцария).
Приборы компании Mettler Toledo отличаются надежностью, качеством, практичностью, эффективностью и удобством в работе. Mettler Toledo предлагает своим пользователям более 10 моделей лабораторных и портативных (для работы в «полевых условиях») электрохимических анализаторов, которые позволяют проводить измерения рН, удельной электропроводности, концентрации ионов, а также концентрации растворенного кислорода в любых средах и любых условиях.
Приборы оснащены:
- графическим дисплеем с подсветкой;
-  функцией контроля;
- температурным  компенсатором.
Обладают функцией  запоминания до 100 измеренных значений, имеют возможность подключения к компьютеру.
Также приборы высокого качества  для электрохимического анализа выпускает немецкая фирма "WTW laborprodukte".

Электрохимические приборы являются средством измерения. Соответственно, на территории РФ, признаны только те модели приборов, которые имеют действующий сертификат о внесении в Госреестр СИ.