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PH计

Wikipedia · 2026-07-23 维基百科 👁 2 阅读

pH计或称酸碱测计，是一种科学仪器，用于测量水溶液的pH值，以pH值表示溶液的酸度或碱度。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”。电势差与溶液的酸度或 pH 值有关。其被视作由阿諾德·奧維爾·貝克曼於1934年發明。其用途广泛，涵盖实验室操作与品质管制等等。

应用
水中发生的化学反应的速率和结果通常取决于水的酸度，因此了解水的酸度非常有用，通常通过 pH 计测量。pH 知识在许多情况下都是有用或关键的，包括化学实验室分析。 pH计用于农业土壤测量、市政供水水质、游泳池、环境修复； 酿造葡萄酒或啤酒； 制造、医疗保健和临床应用，例如血液化学； 以及许多其他应用。除了测量液体的 pH 值外，专门设计的电极还可用于测量半固体物质（例如食品）的 pH 值。 这些电极具有适合刺穿半固体的尖端，电极材料与食品中的成分兼容，并且不易堵塞。

设计和使用
操作原则
电位器pH计测量两个电极之间的电压并将结果转换成相应的pH值显示。 它们包括一个简单的电子放大器和一对电极，或者一个组合电极，以及某种以 pH 单位校准的显示器。 它通常有一个玻璃电极和一个参比电极，或一个组合电极。 将电极或探针插入待测试的溶液中。pH 计也可能基于锑电极（通常用于恶劣条件）或醌氢电极。

为了准确测量玻璃膜参比电极两侧之间的电位差，通常在膜的每一侧都需要一个氯化银电极或甘汞电极。 他们的目的是衡量各自方面潜力的变化。 一个内置于玻璃电极中。 另一个通过多孔塞与测试溶液接触，可以是单独的参比电极，也可以内置到组合电极中。 产生的电压将是玻璃膜两侧之间的电势差，可能会被两个参比电极之间的一些差异所抵消，这是可以补偿的。 关于玻璃电极的文章有很好的描述和图表。

电极的设计是关键部分：这些是杆状结构，通常由玻璃制成，底部有一个包含传感器的灯泡。 用于测量 pH 值的玻璃电极有一个专门设计用于选择性氢离子浓度的玻璃灯泡。 浸入待测溶液中时，测试溶液中的氢离子与玻璃灯泡上的其他带正电的离子交换，从而在灯泡上产生电化学电势。 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，玻璃泡两端的电化学势大小与 pH 值呈线性相关。

参比电极由连接到显示器的金属导体组成，对溶液的 pH 值不敏感。 该导体浸入电解质溶液（通常是氯化钾）中，电解质溶液通过多孔陶瓷膜与测试溶液接触。显示屏由电压表组成，以 pH 为单位显示电压给出了组合电极的详细描述。

pH 计通常在每次使用前使用已知 pH 值的溶液进行校准，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玻璃电极上的灯泡表面上的离子平衡 。 这种平衡提供了稳定的 pH 测量。

pH电极和参比电极的设计
pH 电极玻璃膜的制造细节和由此产生的微观结构由制造商作为商业秘密予以保留: 125。  然而，设计的某些方面已公开。 玻璃是一种固体电解质，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。 这些薄膜的厚度高达 0.4 毫米，比原始设计更厚，从而使探头更加耐用。 该玻璃表面具有硅酸盐化学功能，为溶液中的碱金属离子和氢离子提供结合位点。 这提供了 10−6 至 10−8 mol/cm2 范围内的离子交换容量。 氢离子 (H+) 的选择性取决于离子电荷的平衡、相对于其他离子的体积要求以及其他离子的配位数。 电极制造商已开发出适当平衡这些因素的组合物，尤其是锂玻璃。电极进一步设计为与测试溶液快速平衡，以方便使用。 尽管平衡时间随着电极老化而增加，但平衡时间通常小于一秒。 探头制造商提供清洁和维护其探头设计的说明。

标度和操作
德国标准化研究所发布了使用 pH 计进行 pH 测量的标准 DIN 19263。

非常精确的测量需要在每次测量前对 pH 计进行校准。 更典型地，每天操作时执行一次校准。 需要校准，因为玻璃电极不能在较长时间内提供可重复的静电势。

pH计的类型
一般来说，pH 计分为三大类。 台式 pH 计通常在实验室中使用，用于测量带到 pH 计进行分析的样品。 便携式或现场 pH 计是手持式 pH 计，用于在现场或生产现场获取样品的 pH 值。 在线或原位 pH 计，也称为 pH 分析仪，用于在过程中连续测量 pH 值，可以独立运行，也可以连接到更高级别的信息系统进行过程控制。

pH 计的范围从简单且廉价的笔式设备到复杂且昂贵的实验室仪器，这些仪器具有计算机接口以及用于输入指示器和温度测量值的多个输入，以调整由温度引起的 pH 值的变化。 输出可以是数字或模拟，设备可以由电池供电或依靠线路电源。 一些版本使用遥测技术将电极连接到电压表显示设备和生物微环境。此外，还有基于固态电极而非传统玻璃电极的市售 pH 计。

1934 年 10 月，阿诺德·奥维尔·贝克曼 (Arnold Orville Beckman) 为他的“酸度计”（后来更名为 pH 计）注册了第一个用于测量 pH 值的完整化学仪器的专利，美国专利号为 2,058,761。 贝克曼在加州理工学院担任化学助理教授时开发了原型，当时他被要求为加州水果种植者交易所（新奇士）设计一种快速准确的测量柠檬汁酸度的方法： 131–135。

1935 年 4 月 8 日，贝克曼更名为国家技术实验室，专注于科学仪器的制造，Arthur H. Thomas 公司是其 pH 计的经销商。在接下来的几年里，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，以表彰其作为第一台商业上成功的电子 pH 计的重要性，这导致了包括药品生产在内的广泛行业的广泛接受。

Beckman 早在 1956 年就推出了便携式“袖珍 pH 计”，但它没有数字读数功能。20世纪70年代，台湾Jenco Electronics设计并制造了第一台便携式数字pH计。 该仪表以 Cole-Parmer Corporation 的标签出售。然而，商业供应商提供了简化使用的电压表显示器，包括校准和温度补偿。

pH探头
探针测量酸碱度的pH——氢离子在其顶端周围薄壁玻壳离子的活性。pH计测量并显示该探头产生的小电压（约0.06个pH单位伏特）。

仪器
pH计电路类似电压表，但并不指示电压大小，而是pH值。由于其玻璃电极具有高电阻（20~1000MΩ）的特点，输入信号必须非常大。因此，一个简单的pH计电路通常在反相配置中含有一个运算放大器，其总电压增益大约为-17倍。反相放大器将探头产生的小电压(+0.059 V/pH)转换成pH值。为了在指示器上显示pH值，通常还要再在其结果上加7V，例如在中性pH值溶液中，探头的输出电压为0V。 pH计的示数值为：0×17+7 =7。

在碱性溶液中，探头的输出电压范围为0至0.41V（7×0.059=0.41）。因此，对于pH=10的样品（pH值高于中性溶液3个单位），3×0.059=0.18V，pH计的示数为0.18×17+ 7=10。在酸性溶液，探头的输出电压范围从-0.41V到0V。因此，对于pH=4的样品，-3×0.059=-0.18V，pH计示数为-0.18×17+ 7=4。

参考文献
外部链接

#电化学 #度量儀器 #酸碱化学 #科学仪器

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