精密的ph计原理（仪器百科之PH计的前世今生）

pH计是一个科学仪器，主要用于测量水溶基液中的氢离子活度，将它的酸度或碱度表示为pH值。pH计测量pH电极和参比电极之间的电势差，因此pH计有时被称为“电位pH计”。电势差异与溶液的酸度或pH有关。

历史

pH值的概念由SPLSørensen于1909年定义，电极在20世纪20年代用于pH测量。1934年10月，Arnold Orville Beckman为其“酸度计”注册了第一项用于测量pH的完整化学仪器的专利，美国专利号2,058,761，后来改名为pH计。1935年4月8日，Beckman重新命名为国家技术实验室，专注于科学仪器的制造，Arthur H. Thomas公司作为其pH计的分销商，并在1936年开始销售pH计用于医疗领域。在1936年的第一个全年销售中，该公司以60,000美元的销售额售出了444个pH计。未来几年，该公司销售了数百万台。2004年，贝克曼pH计被指定为 ACS国家历史化学地标，以表彰其作为第一个商业上成功的电子pH计的重要性。

随后美国的乐器制造商成功开发工业pH计，在各个领域具有广泛的应用，例如啤酒厂，造纸厂，明矾工厂和水处理系统。 在20世纪70年代，台湾的 Jenco Electronics 设计并制造了第一台便携式数字pH计。该仪表以Cole-Parmer公司的标签出售。

应用

仪器和检测方面的进步扩大了pH测量的应用数量。这些设备已经小型化，可以直接测量活细胞内的pH值。除了测量液体的pH值外，还可以使用专门设计的电极来测量半固体物质（如食物）的pH值。它们具有适合于刺穿半固体的尖端，具有与食品中的成分相容的电极材料，并且能够防止堵塞。

设计和使用

最早在实验室中使用的是Beckman pH计，其操作原理如下：

电位pH计测量两个电极之间的电压，并将结果显示转换为相应的pH值。它们包括简单的电子放大器和一对电极，或者组合电极，以及以pH单位校准的某种形式的显示器。它通常具有玻璃电极和参比电极，或组合电极。

电极的设计是关键部分：这些是通常由玻璃制成的棒状结构，灯泡底部包含传感器。用于测量pH的玻璃电极具有专门设计成对氢离子浓度具有选择性的玻璃灯泡。在浸入待测溶液中时，测试溶液中的氢离子交换玻璃灯泡上的其他带正电离子，在灯泡上产生电化学势。电子放大器检测测量中产生的两个电极之间的电势差，并将电势差转换为pH单位。根据能斯特方程，玻璃球上的电化学势的大小与pH线性相关。

在将玻璃电极和参考电极浸入测试溶液中时，完成电路，其中存在由电压表产生和检测的电位差。该电路可以被认为是从参考电极的导电元件到周围的氯化钾溶液，通过陶瓷膜到测试溶液，玻璃电极的氢离子选择性通过。最后是显示装置的电压表，其值取决于由测试溶液和玻璃电极内部的溶液之间的玻璃膜的每一侧上的氢离子浓度差异产生的电势差，电路中的所有其他电位差异不随pH变化。

为简单起见，许多pH计使用组合探针，其由玻璃电极和包含在单个探针内的参比电极构成。pH计通常在每次使用前用已知pH的溶液校准，以确保测量的准确性。为了测量溶液的pH值，将电极用作探针，将其浸入测试溶液中并保持足够长的时间以使测试溶液中的氢离子与灯泡表面上的离子平衡。

pH电极和参比电极设计

制造商将pH电极的玻璃膜的制造和所得微观结构的细节保持为商业秘密，但是设计的某些方面已经公布。玻璃是固体电解质，碱金属离子可以携带电流。pH敏感玻璃膜通常是球形的，以简化均匀膜的制造。这些膜厚度高达0.4毫米，比原始设计厚，从而使探针耐用。玻璃在其表面上具有硅酸盐化学官能团，其为溶液中的碱金属离子和氢离子提供结合位点。

氯化银电极是最常用的一种参比电极，尽管在一些设计中使用饱和甘汞电极。氯化银电极制造简单并且重复性高。参比电极通常由与银/氯化银混合物接触的铂丝组成，其浸入氯化钾溶液中。有一个陶瓷塞，用作与测试溶液的接触，提供低电阻，同时防止两种溶液的混合。利用这些电极设计，电压表检测到±1400毫伏的电位差，平衡时间通常小于1秒，随着电极老化，平衡时间增加。

校准和操作

非常精确的测量需要在每次测量之前校准pH计。更甚于因为玻璃电极在较长时间内不能提供可再现的静电电位，每次操作执行前都需要一次校准。

与良好实验室实践的原则一致，使用至少两种标准缓冲溶液进行校准，所述缓冲溶液跨越待测量的pH值范围。一般来说，pH 4.00和pH 10.00的缓冲液是较为合适的。pH计有一个校准控制器，用于将仪表读数设置为等于第一个标准缓冲液的值，第二个控制器用于将仪表读数调整为第二个缓冲液的值。第三个控制允许设定温度。可从各种供应商处获得的标准缓冲袋通常记录温度依赖性缓冲区控制。更精确的测量有时需要在三种不同的pH值下进行校准。一些pH计提供内置的温度系数校正，电极探针中带有温度热电偶。校准过程将探针产生的电压（每pH单位约0.06伏）与pH标度相关联。良好的实验室规范要求，在每次测量后，用蒸馏水或去离子水冲洗探针以去除所测量溶液的任何痕迹，用科学擦拭物吸干以吸收任何剩余的水，然后浸入适合特定探针类型的存储设备中。

维护

由于电极对污染物的敏感性，探头的清洁度对于精确测量至关重要。在不使用适合于特定探针的介质时，探针通常保持湿润，该介质通常是可从探针制造商获得的水溶液。探头制造商提供清洁和维护探头设计的说明。例如，一位实验室级pH值的制造商提供特定污染物的清洁说明：一般清洁（在漂白剂和洗涤剂溶液中浸泡15分钟），盐（盐酸溶液，接着是氢氧化钠和水），油脂（清洁剂或甲醇），堵塞的参比接点（KCl溶液），蛋白质沉积物（胃蛋白酶和HCl，1％溶液）和气泡。

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