Использование чистой воды, будь то деионизированная, дистиллированная или обработанная посредством обратного осмоса, считается серьезной ошибкой при хранении pH-электродов. Обычно это происходит, когда запас хранительного раствора исчерпан, но пользователь все равно стремится сохранить электрод во влажном состоянии. Тем не менее, для электрода это создаёт более серьезные проблемы.
Устройство, калибровка и техническое обслуживание pH-метра
Водородный показатель pH является ключевым параметром, характеризующим многие жидкости, а иногда и твердые тела. Он служит меткой для классификации веществ и смесей по их кислотности или щелочности. На практике, чем ниже значение pH, тем сильнее выражены кислотные свойства вещества или смеси; наоборот, чем выше значение pH, тем больше выражены щелочные свойства.
Кислотные свойства растворов в значительной степени зависят от наличия протонов водорода (H+) и связаны с водородным показателем по следующей зависимости:
В зависимости от назначения и технических характеристик можно выделить три типа pH-метров:
Первый тип — это настольный pH-метр, который обеспечивает наивысшую точность среди подобных устройств. Он работает с электродными парами или комбинированными электродами и включает температурный датчик для корректировки значений pH. Благодаря этому прибор может также поддерживать возможность добавления пользовательских буферных растворов для калибровки, создания линейных и сегментарных калибровочных функций, а также сохранения и передачи данных.
Второй тип — это карманный pH-метр. Он отличается компактностью и простотой в использовании, однако его точность оставляет желать лучшего, что делает его подходящим лишь для грубых измерений. Конструкция такого прибора объединяет электрод и измерительный блок в едином корпусе, что ограничивает возможность его технического обслуживания.
Третий тип — это портативный pH-метр, который превосходит карманный по размерам и имеет разделённые конструкции измерительного блока и электрода, что позволяет использовать в качестве датчиков как комбинированные электроды, так и пары (измерительный и сравнивательный электроды).
Практически все эти устройства зарегистрированы как средства измерения в Российской Федерации и соблюдают стандарт погрешности, не превышающий 0.05 единиц pH.
На российском рынке можно найти как импортные, так и отечественные модели портативных pH-метров. Среди популярных импортных брендов можно отметить Mettler Toledo, Hanna, WTW и Metrohm, а среди отечественных производителей выделяются Эксис, Измерительная техника и ВЗОР.
Принцип работы. Электроды pH-метра
Как датчик, чувствительный к концентрации ионов водорода (H+), используется либо пара электродов (измерительный и сравнивающий), либо комбинированный электрод. Измерительный электрод представляет собой стеклянный стержень с чувствительной стеклянной мембраной на конце, которая при погружении в раствор формирует гелевый слой, аналогичный слою, образующемуся на внутренней стороне мембраны из внутреннего электролита. Процесс диффузии ионов водорода в эти слои зависит от кислотности раствора и создает потенциал на поверхности стеклянной мембраны.
Электрод сравнения также выполнен на основе стеклянного стержня, но используют стекло, не чувствительное к ионам водорода (H+). На конце этого электрода имеется диафрагма, через которую внутренний электролит медленно вытекает в раствор. Элемент сравнения (например, серебро/хлорид серебра) помещён во внутренний электролит и при погружении электрода в раствор взаимодействует с ним, создавая нужный электрический потенциал. Разность потенциалов между измерительным и сравнивающим электродами пропорциональна pH среды.
Комбинированный электрод, совмещающий функции измерительного и сравнивающего, получил широкое распространение благодаря своей простоте в использовании. Часто такие электроды дополнительно оснащаются температурным датчиком, который позволяет учитывать температурные изменения для более точных измерений pH.
Хранение электродов
В отличие от датчиков для измерения электропроводности, рН-электроды требуют хранения в водных растворах, обогащённых ионами. Это позволяет сохранить гелевый слой на стеклянной мембране насыщенным ионами, что обеспечивает быструю реакцию электрода при измерениях pH.
Для хранения pH-электродов в течение рабочего дня или между сменами рекомендуется использовать электролитный раствор: для водных pH-электродов это может быть 3-молярный раствор KCl, а для неводных — 1-молярный раствор LiCl в этаноле. Краткосрочное хранение в буферных растворах с кислотными или нейтральными свойствами также допустимо.
При длительном хранении колпачок электрода следует заполнять кислым буферным раствором или 0.1 М соляной кислотой. Важно, чтобы отверстие для заполнения внутренним электролитом было закрыто, чтобы избежать образования кристаллов внутри конструкции электрода.
Калибровка pH метра: инструкция
Процесс калибровки pH-метра начинается с подготовки всего необходимого инвентаря:
- дистиллированная вода;
- реагенты для приготовления буферных растворов;
- три емкости объемом не менее 300 мл;
- ложка для перемешивания.
Перед началом калибровки полезно просмотреть видео, ищите по запросу «калибровка pH-метра», чтобы визуально ознакомиться с процессом. При подготовке буферного раствора необходимо растворить в 250 мл воды сухое вещество, завернутое в пакетики. Раствор следует тщательно перемешать до полного исчезновения осадка. Также имеются готовые жидкие формы, с которыми можно сразу перейти к следующему этапу.
Перед погружением электрода в буферный раствор важно прополоскать его в чистой воде, чтобы удалить остатки солей от предыдущих измерений. При погружении в раствор с заранее известным значением pH 4.0 прибор может показывать отклонения, если его давно не настраивали.
Калибровка электронного pH-метра заключается в том, что после погружения электрода необходимо удерживать кнопку «cal» в течение 5 секунд. После этого на дисплее отобразится одно из эталонных значений. Затем нажатием той же кнопки необходимо выбрать значение 4,01. После выполнения этих шагов pH-метр будет готов к использованию — автоматическая калибровка завершена.
Процедура калибровки pH-метра с регулировочными винтами отличается тем, что настройка производится вручную, с помощью плоской отвертки, до достижения значений, соответствующих калибровочному раствору.
Для повышения точности измерений рекоммендуется повторить эту процедуру. В некоторых моделях есть возможность калибровки по двум или даже трём точкам. При переходе с одной емкости с раствором в другую важно тщательно ополаскивать электрод в чистой воде.
Как часто нужно калибровать pH метр?
Калибровка pH-метра с использованием буферного раствора должна проводиться регулярно. Рекомендуется калибровать прибор каждый день, но на практике этому требованию трудно следовать. Оптимальный график — дважды в неделю. В этом контексте целесообразно использовать одноразовые бустеры, так как срок годности раствора для калибровки составляет всего три месяца.
Почему pH метры необходимо калибровать?
Регулярная калибровка pH-метра — это важная практика, особенно для садоводов, поскольку от этого зависит точность измерений. В процессе работы электроды подвергаются изменениям, что можно описать специальной формулой, известной как уравнение Нернста. Со временем электроды теряют свои начальные качества, и это требует их настройки.
Следует учесть, что проблемы термокомпенсации могут проявляться при изменении температуры, что, в свою очередь, влияет на концентрацию ионов водорода. Автоматическая термокомпенсация подразумевает учет температуры в уравнении Нернста.
Стандартные решения для калибровки pH тестеров
Стандартные калибровочные растворы pH имеют точность +/- 0.01 pH при температуре 25 °C (77 °F) и предлагают семь различных значений от 1.68 до 10.01 pH. Наиболее распространёнными среди них являются растворы с номиналами 4.01, 7.01 и 10.01. Эти растворы окрашены в соответствующие цвета для удобства идентификации, что облегчает их использование, даже когда работаешь в условиях нехватки времени.
Как и другие калибровочные буферы, стандартные растворы соответствуют стандартам ISO и отслеживаются по системе NIST. Они представлены в разных упаковках — от одноразовых саше до больших ёмкостей, предназначенных для многократной калибровки. Эти растворы подходят для работы в различных условиях и практически со всеми pH-метрами. Независимо от того, измеряете ли вы pH сыра, мяса, или используете настольные инструменты для определения рН крови в лаборатории, стандартные буферы, скорее всего, вам подойдут.
Если вы измеряете pH в образце, находящемся вне оптимального диапазона при 25 °C, рекомендуется обращение к таблице, которая обычно прилагается к упаковке, чтобы узнать фактический диапазон pH для этой температуры. Также важно отметить, что хотя все стандартные решения для калибровки сертифицированы, не все поставляются с сертификатами, которые могут быть получены по запросу.
Технические решения для калибровки pH тестеров
Технические решения для калибровки pH электродов и тестеров имеют ту же степень точности и соответствуют тем же спецификациям, что и стандартные калибровочные растворы. Однако отличие заключается в том, что они предлагают более широкий диапазон значений по сравнению с базовыми и охватывают практически каждую точку шкалы pH, что позволяет ограничить калибровку любыми желаемыми показателями.
Важно упомянуть метод, известный как брекетинг, который также называют двухточечным или многоточечным типом калибровки. Он включает в себя калибровку измерителя по двум точкам pH: одна из точек выше, а другая ниже желаемого значения. Например, если требуется определить pH лимонного сока, которое примерно равно 2, можно использовать буферные растворы с pH 1.00 и 4.01 для двухточечной калибровки.
Для ещё большей точности рекомендуется выполнить третью калибровку по нейтральной точке pH 7.01, что также поможет выявить возможное смещение и предостеречь от проблем с загрязнением или неисправностью датчика, что в свою очередь предотвращает возможные ошибки в измерениях.
Как правильно настроить
Процесс калибровки pH-метра может содержать различные ошибки. Перечислить их можно долго, но мы рассмотрим три основных. Одна из распространённых ошибок заключается в использовании дистиллированной воды. Многие считают её чистой и рН с нейтральным значением 7. Однако на самом деле это не так: такая вода интенсивно поглощает углекислый газ из воздуха, что меняет её состав и уровень кислотности.
Ещё одной ключевой ошибкой является хранение буферных растворов на воздухе. Это может привести к быстрой порче реагентов. Кроме того, неправильным решением является сохранение использованного раствора для следующей калибровки, так как это может привести к заносу грязи и искажению результатов.
Но как правильно настроить и проверить прибор? Новые pH-метры, приобретаемые в специализированных магазинах, приходят с заводской калибровкой. Перед первым использованием и после работы их необходимо откалибровать. Настройки устройства очень чувствительны, и даже небольшие движения или тряска во время транспортировки могут сбить их.
Перед началом работы необходимо установить измеритель на тот диапазон, который вы будете исследовать. Опытные специалисты выделяют три оптимальные контрольные точки для измерения уровня pH: 4.0, 7.0 и 10.0. Эти точки охватывают широкий спектр от 0 до 14, что позволяет определить как кислотные, так и щелочные свойства среды.
Свежие калибровочные буферные растворы всегда предпочтительны. Рекомендуется покупать их в порошковой форме и готовить раствор в дистиллированной воде непосредственно перед использованием. Для получения более точных данных при последующих измерениях желательно выполнять калибровку в 2–3 контрольных точках.
Буферные (калибровочные) растворы представляют собой специальные водные растворы со стандартной активностью ионов водорода, полученные из солей многоосновных кислот. Выбор жидкости зависит от требуемых показателей: для щелочных растворов используется буфер с pH 9,18, для кислых — с pH 4,01, для нейтральных — с pH 6,86.
Процесс калибровки не требует специальных навыков. Он достаточно прост и может быть выполнен даже в домашних условиях. Инструмент с аналоговой настройкой требует отвертку для регулировки значений до совпадения с показателями калибровочного раствора. Для цифровых моделей нужно лишь слегка нажать на клавишу до достижения необходимых значений.
Ошибка №9: Недостаточное погружение электрода
Легко предположить, что пока pH-электрод касается образца, значение, отображаемое на экране, будет верным. Но на самом деле чувствительная часть и референсная диафрагма должны быть полностью погружены в раствор для корректной работы устройства.
Возвращаясь к принципу работы рН-электрода, стоит отметить, что чувствительное стекло взаимодействует с образцом и создает напряжение, сравниваемое с электродом сравнения, который остаётся устойчивым во всех образцах. Без полного контакта одной из этих частей с образцом измерительная система не будет завершённой, что приведет к ошибочным результатам.
Эти проблемы легко устраняются, добавляя достаточно образца для полного погружения как соединительного, так и чувствительного стекла.
Положение референсной диафрагмы зависит от конструкции электрода, поэтому обязательно ознакомьтесь с руководством, чтобы определить её расположение.
Ошибка №10: Использование старого электрода
Как и любое оборудование, рН-электроды требуют периодической замены в рамках регулярного технического обслуживания. Со временем чувствительная эмульсия стекла deteriorates, теряя свою чувствительность. В конце концов, ваш электрод может перестать адекватно реагировать на изменения pH.
Есть определённые показатели, связанные с правильно функционирующими электродами, такие как наклон и смещение. Эти показатели можно оценить в процессе калибровки.
Смещение — это величина в милливольтах при pH 7, а наклон — это изменение в милливольтах на единицу pH. На многих измерительных приборах эти значения можно увидеть автоматически с помощью функции Надлежащей лабораторной практики (GLP). Работоспособные электроды имеют наклон в пределах 85-105% от идеального значения, а смещение должно составлять ±30 мВ.
Иногда, независимо от всех приложенных усилий, электрод продолжает работать некорректно. Если электрод старый и его устаревшие элементы уже не функционируют должным образом, возможно, пришло время его заменить.
Несмотря на потенциальные сложности с отслеживанием данных о калибровке, многие модели счетчиков от Hanna Instruments, например, исследовательский pH-метр класса HI5221, предлагают функцию CAL Check™. Эта функция сравнивает данные о наклоне и смещении электрода на протяжении времени, позволяя своевременно выявлять потенциальные проблемы с электродом или буферами благодаря встроенной диагностике.
Система диагностики уведомляет о любых возникающих ошибках, связанных с загрязненными электродами и буферами, а также позволяет оценить общее состояние электрода после каждой калибровки. CAL Check исключает необходимость в предположениях при калибровке pH, гарантируя, что ваш электрод находится в надлежащем рабочем состоянии и готов к проведению точных измерений.
