Гальванические преобразователи

Гальванические преобразователи основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от концентрации ионов в электролите и окислительно восстановительных процессов, происходящих на электродах. Они используются для определения концентрации ионов в различных растворах, а также в качестве образцовых мер ЭДС – нормальных элементов.

Наиболее широкое применение гальванические преобразователи получили в качестве преобразователей рН-метров– приборов для измерения активности (концентрации) водородных ионов.

Молекулы воды частично диссоциируют на ионы водорода и ионы гидроксила ОН^-, чем обусловлена вполне определенная, хотя и очень малая электропроводность воды. Диссоциация воды происходит по схеме

H₂O⇆H⁺+OH^-.

При этом остается постоянной так называемая константа диссоциации, равная

,

где a _H+, а _OH- и a _{H 2 O} – соответственно активности ионов Н⁺, ОН^- и воды.

В разбавленных растворах активность воды a _{H 2 O} можно считать постоянной, и тогда произведение Ka _{H 2 O} становится новой постоянной, которую называют ионным произведением воды:

K _{H 2 O} =a _H +a _OH -.

Установлено, что при 22 °С ионное произведение воды K _{H 2 O} =10^-14 (г-ион/л)². В чистой воде или в нейтральном растворе актив­ности H⁺ и ОН^- равны:

г-ион/л.

Ионное произведение воды K _{H 2 O} =a _H +a _OH - при данной темпера­туре остается постоянной величиной не только для воды, но и для любого водного раствора, включая растворы кислот с избытком ионов Н⁺ или оснований с избытком ионов ОН^-.

Если в воде растворить кислоту, то ионов Н⁺ станет больше, а ионов ОН^- — меньше (за счет воссоединения части образовавшихся ионов Н⁺ с ионами ОН^-), но произведение a _H +a _OH - останется равным ионному произведению воды. У кислых растворов a _H + > a _OH -, а у щелочных растворов a _OH - > a _H +

Таким образом, для характеристики раствора достаточно знать активность водородных ионов, которую для удобства записи и вы­числений численно характеризуют отрицательным логарифмом актив­ности ионов водорода – водородным показателем рН:

.

Рис. 2-46

Приборы для измерения этого показателя получили название рН-метров.

Диапазон изменения рН водных растворов обычно составляет 0–14 ед. В растворах других растворителей (неводных) диапазоны изменения рН другие, например в аммиаке 0 – 32,7 ед., в муравьиной кислоте 0–6,1 ед. и т.д.

Наиболее точный и универсальный метод измерения рН основан на определении электродных потенциалов различных электродов, помещаемых в исследуемый раствор. Следовательно, гальванические преобразователи, являющиеся датчиками рН-метров, в качестве есте­ственной входной величины имеют концентрацию водородных ионов, выражаемую в единицах рН, а в качестве выходной величины разность электродных потенциалов.

Гальванический преобразователь состоит из двух полуэлементов: измерительного электрода, помещаемого в исследуемый раствор, и вспомогательного полуэлемента, электродный потенциал которого дол­жен оставаться постоянным.

На рис. 2-46 показан гальванический преобразователь, состоящий из двух водородных полуэлементов. Один из водородных электродов (измерительный) помещается в исследуемый раствор 1, который при помощи электролитического ключа 2 соединяется с нормальным водо­родным полуэлементом (вспомогательным) 3, содержащим электролит с активностью водородных ионов а( _H ⁺) ₂=1 г-ион/л. ЭДС между электродами полученной концентрационной цепи равна:

,

где – активность водородных ионов в исследуемом растворе; – активность водородных ионов в нормальном водородном полуэлементе.

Переходя к десятичным логарифмам и учитывая, что lg u (h+) i = - рН, получаем

Для температуры 18 °С E_B= –0,058 pH.