pH计详解
检测目标
pH计用于精确测定水体的酸碱度（pH值），pH值范围通常为0-14，反映溶液中氢离子（H⁺）的浓度：
- 酸性：pH < 7（H⁺浓度高，如柠檬汁pH≈2.5）
- 中性：pH = 7（纯水）
- 碱性：pH > 7（H⁺浓度低，如肥皂水pH≈9-10）
核心组件
- 玻璃电极
- 敏感膜：由特殊玻璃（含SiO₂、Li₂O等）制成，表面形成水合凝胶层（约0.1μm厚）。
- 响应机制：凝胶层中的H⁺与溶液中H⁺交换，产生膜电位（仅对H⁺选择性响应）。
- 参比电极
- 类型：常见为Ag/AgCl（银/氯化银）或甘汞电极（Hg/Hg₂Cl₂）。
- 功能：提供稳定参考电位，不受溶液pH影响。
- 复合电极（现代常用）
- 结构：将玻璃电极与参比电极集成，简化操作。
工作原理
- 电位差生成
- 玻璃电极浸入溶液时，H⁺在凝胶层与溶液间扩散，形成膜电位（E_m）。
- 参比电极保持恒定电位（E_ref）。
- 总电位差：E = E_m - E_ref
- 能斯特方程
- 电位差与pH的数学关系：
[ E = E_0 - /frac{2.303RT}{F} /cdot ext{pH} ]- R：气体常数（8.314 J/(mol·K)）
- T：温度（K）
- F：法拉第常数（96485 C/mol）
- 25℃时，简化公式：每1 pH变化对应59.16 mV电位差。
- 电位差与pH的数学关系：
- 温度补偿
- 温度影响电极响应斜率，仪器内置温度传感器（如Pt100）自动校正。
校准与维护
- 校准步骤
- 使用标准缓冲液（如pH 4.01、6.86、9.18），通过两点或多点校准修正仪器偏差。
- 维护要点
- 储存：电极需浸泡在3M KCl溶液中，防止玻璃膜脱水。
- 清洁：定期用0.1M HCl或专用清洗液去除蛋白质、油脂污染。
- 更换：玻璃膜破损或响应迟缓（校准后仍不稳定）需更换电极。
应用场景
- 实验室分析：精确测定化学试剂、生物样品pH。
- 工业过程控制：监测污水处理、食品饮料生产的酸碱度。
- 环境监测：评估河流、湖泊水质（如酸雨影响）。
常见问题与解决
| 问题 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 读数漂移 | 电极老化或污染 | 清洗电极或更换 |
| 响应缓慢 | 凝胶层脱水 | 浸泡在KCl溶液中24小时 |
| 校准失败 | 缓冲液污染或温度未补偿 | 使用新鲜缓冲液，检查温度探头 |
技术扩展
- 固态pH传感器：采用ISFET（离子敏感场效应晶体管），无需玻璃膜，抗机械冲击。
- 微型化探头：用于体内医疗监测或微流控芯片，直径可小于1mm。
通过上述原理与维护策略，pH计能够实现高精度（±0.01 pH）和长期稳定性，成为水质分析的核心工具。
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