pH计的原理介绍

pH计，是用来测定溶液酸碱度值的仪器。pH计是利用原电池的原理作的，原电池的两个电间的电动势依据能斯特定律，既与电的自身属性有关，还与溶液里的氢离子浓度有关。原电池的电动势和氢离子浓度之间存在对应关系，氢离子浓度的负对数即为pH值。pH计是种常见的分析仪器，广泛应用在农业、环保和业等域。土壤pH值是土壤重要的基本性质之。在pH测定过程中应考虑待测溶液温度及离子强度等因素。

原理
"pH"中的"p"来自德语Potenz，意思是浓度，H(hydrogenion)代表氢离子，用来量度物质中氢离子的活性。这活性直接关系到水溶液的酸性、中性和碱性。水在化学上是中性的，但不是没有离子，即使化学纯水也有微量被离解:严格地讲，在与水分子水合作用以前，氢核不是以自由态存在。

2H₂O≒H₃O⁺ + OH⁻，由于水合氢离子(H3O)的浓度是与氢离子(H)浓度等同看待，上式可以简化成下述常用的形式:

H₂O≒H⁺ + OH⁻

此处正的氢离子，人们在化学中表示为"H离子"或"氢核"。水合氢核表示为"水合氢离子"。负的氢氧根离子称为"氢氧化物离子"。

利用质量作用定律，对于纯水的离解可以找到平衡常数加以表示:

K=H3O×OH----H2O

由于水只有少量被离解，因此水的质量摩尔浓度实际为常数，并且有平衡常数K可求出水的离子积KW。

KW=K×H2O KW= [H3O]·[OH]=10·10=10mol/L(25℃)

也就是说对于升纯水在25℃时存在10摩尔H3O离子和10摩尔OHˉ离子。

在中性溶液中，氢离子H和氢氧根离子OHˉ的浓度都是10mol/L。如:

假如有过量的氢离子H，则溶液呈酸性。酸是能使水溶液中的氢离子H游离的物质。同样，如果使OHˉ离子游离，那么溶液就是碱性的。所以，给出H值就足以表示溶液的特性，呈酸性还是碱性，为了免于用此分子浓度负幂数行运算，生物学家泽伦森(Soernsen)在1909年建议将此不便使用的数值用对数代替，并定义为"pH值"。数学上定义pH值为氢离子浓度的常用对数负值。即pH=-lg[H]。

因此，pH值是离子浓度以10为底的对数的负数:

改变50m³的水的pH值，从pH2到pH3需要500L漂白剂。然而，从pH6到pH7只需要50L的漂白剂。

测量pH值的方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位法测得pH值。

电位分析法所用的电被称为原电池。原电池是个系统，它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势(EMF)。此电动势(EMF)由二个半电池构成，其中个半电池称作示电，它的电位与特定的离子活度有关，如H;另个半电池为参比半电池，通常称作参比电，它般是测量溶液相通，并且与测量仪表相连。

例如，支电由根插在含有银离子的盐溶液中的根银导线制成，在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，形成离子的充电过程，并形成定的电位差。失去电子的银离子溶液。当没有施加外电流行反充电，也就是说没有电流的话，这过程会达到个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电电位。这种(如上所述)由金属和含有此金属离子的溶液组成的电被称为类电。

此电位的测量是相对个电位与盐溶液的成分无关的参比电行的。这种具有电位的参比电也被称为二电。对于此类电，金属导线都是覆盖层此种金属的微溶性盐(如:Ag/Agcl)，并且插入含有此种金属盐阴离子的电解质溶液中。此时半电池电位或电电位的大小取决于此种阴离子的活度。

此二种电之间的电压遵循能斯特(NERNST)公式:

式中:E-电位

E0-电的标准电压

R-气体常数(8.31439焦耳/摩尔和℃)

T-开氏对温度(例:20℃相当于273.15+20=293.15开尔文)

F-法拉常数(96493库化/当量)

n-被测离子的化合价(银=1，氢=1)

ln(aMe)-离子活度aMe的对数

标准氢电是所有电位测量的参比点。标准氢电是根铂丝，用电解的方法镀(涂覆)上氯化铂，并且在四周充入氢气(固定压力为1013hpa)构成的。

将此电浸入在25℃时H3O离子含量为1mol/l溶液中便形成电化学中所有电位测量所参照的半电池电位或电电位。其中氢电作为参比电在实践中很难实现，于是使用二类电做为参比电。其中便是银/氯化银电。该电通过溶解的AgCl对于氯离子浓度的变化起反应。

此参比电的电电位通过饱和的kcl贮池(如:3mol/l kcl)来实现恒定。液体或凝胶形式的电解质溶液通过隔膜与被测溶液相连通。

利用上述的电组合-银电和Ag/AgCl参比电可以测量胶片冲洗液中的银离子含量。也可以将银电换成铂或金电行氧化还原电位的测量。例如:某种金属离子的氧化阶段。

pH示电是玻璃电。它是支端吹成泡状的对于pH敏感的玻璃膜的玻璃。管内充填有含饱和AgCl的3mol/l kcl缓冲溶液，pH值为7。存在于玻璃膜二面的反映pH值的电位差用Ag/AgCl传导系统，

如二电，导出。pH复合电和pH固态电，

此电位差遵循能斯特公式:

将E0、R、T(298.15K即25℃)等数值代入上式既得:

E=59.16mv/25℃ per pH (式中已将ln[H3O]转化为pH)

式中R和F为常数，n为化合价，每种离子都有其固定的值。对于氢离子来讲n=1。温度"T"做为变量，在能斯特公式中起很大作用。随着温度的上升，电位值将随之增大。

对于每1℃的温度变大，将引起电位0.2mv/per pH变化。用pH值来表示则每1℃1pH变化0.0033pH值。

这也就是说:对于20~30℃之间和7pH左右的测量不需要对温度变化行补偿;而对于温度>30℃或<20℃和pH值>8或6的应用场合则须对温度变化行补偿。

业pH计，是种业仪器设备，主要用来测量液体介质的酸碱度值。以及安装、清洗、抗干扰等等问题的考虑