pH 미터

pH meter
베크만 모델 pH 미터, 1937[1]
Beckman 모델 72 pH 미터, 1960
Metrohm의 781 pH/이온 미터 pH 미터

pH 측정기는 수성 용액의 수소 이온 활성을 측정하는 과학 장비로,[2] pH로 표현되는 산도 또는 알칼리성을 나타냅니다.pH 측정기는 pH 전극과 기준 전극 사이의 전위차를 측정하기 때문에 "전위 pH 측정기"라고도 합니다.전위의 차이는 [3]용액의 산도 또는 pH와 관련이 있습니다.pH 측정기(pH-metry)를 통한 pH 테스트는 실험실 실험에서부터 품질 [4]관리에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

적용들

물에서 일어나는 화학 반응의 속도와 결과는 종종 물의 산성도에 따라 달라지며, 따라서 일반적으로 pH 미터를 [5]사용하여 측정되는 물의 산성도를 아는 것이 유용합니다.pH에 대한 지식은 화학 실험실 분석을 포함한 많은 상황에서 유용하거나 중요합니다. pH 미터는 농업의 토양 측정, 도시 상수도의 수질, 수영장, 환경 교정, 와인 또는 맥주 양조, 제조,혈액 화학과 같은 의료 및 임상 응용 프로그램 및 기타 많은 응용 프로그램.[4]

계측 및 검출의 발전으로 pH 측정을 수행할 수 있는 응용 프로그램의 수가 증가했습니다.이 장치들은 소형화되어 살아있는 [6]세포 내부의 pH를 직접 측정할 수 있게 되었습니다.액체의 pH를 측정하는 것 외에도 음식과 같은 반고체 물질의 pH를 측정할 수 있도록 특별히 설계된 전극을 사용할 수 있습니다.이것들은 반고체를 뚫기에 적합한 팁을 가지고 있고, 음식의 재료와 호환되는 전극 재료를 가지고 있으며,[7] 막힘에 강합니다.

설계 및 사용

실험실에서 초기 Beckman pH 측정기 사용

작동 원리

전위차계 pH 미터는 두 전극 사이의 전압을 측정하고 해당 pH 값으로 변환된 결과를 표시합니다.그것들은 간단한 전자 증폭기와 한 쌍의 전극, 또는 대체적으로 조합 전극, 그리고 pH 단위로 보정된 어떤 형태의 디스플레이로 구성됩니다.그것은 보통 유리 전극과 기준 전극, 또는 조합 전극을 가지고 있습니다.전극 또는 프로브는 [8]테스트할 용액에 삽입됩니다. pH 미터는 안티몬 전극(일반적으로 거친 조건에서 사용됨) 또는 퀸히돈 전극을 기반으로 할 수도 있습니다.

유리막 기준전극의 양측 전위차를 정확하게 측정하기 위해서는 일반적으로 막의 각 측면에 염화은 전극 또는 칼로멜 전극이 필요합니다.그들의 목적은 각각의 측면에서 잠재력의 변화를 측정하는 것입니다.하나는 유리 전극에 내장되어 있습니다.다른 하나는 다공성 플러그를 통해 테스트 용액과 접촉하는 것으로 별도의 기준 전극일 수도 있고 조합 전극에 내장될 수도 있습니다.결과적으로 발생하는 전압은 유리막의 두 측면 사이의 전위차를 보상할 수 있는 두 기준 전극 사이의 차이에 의해 상쇄될 수 있습니다.유리 전극의 기사는 설명과 그림이 좋습니다.

전극의 설계는 다음과 같은 중요한 부분입니다.이것들은 보통 유리로 만들어진 막대 모양의 구조물이며, 하단에 센서가 들어 있는 전구가 있습니다.pH를 측정하기 위한 유리 전극에는 수소 이온 농도에 대해 선택적으로 설계된 유리 전구가 있습니다.테스트할 용액에 담그면 테스트 용액의 수소 이온이 유리 전구에 있는 다른 양전하 이온과 교환하여 전구 전체에 전기화학적 전위를 생성합니다.전자 증폭기는 측정에서 생성된 두 전극 사이의 전위차를 감지하여 전위차를 pH 단위로 변환합니다.유리 전구를 가로지르는 전기화학적 전위의 크기는 네른스트 방정식에 따른 pH와 선형적으로 관련이 있습니다.

기준 전극은 디스플레이에 연결되는 금속 도체로 구성되어 용액의 pH에 민감하지 않습니다.이 도체는 전해액(일반적으로 염화칼륨)에 침지되어 다공성 세라믹 [9]막을 통해 테스트 용액과 접촉합니다.디스플레이는 전압계로 구성되어 있으며,[9] 전압은 pH 단위로 표시됩니다.

테스트 용액에 유리 전극과 기준 전극을 담그면 전압계에 의해 전위차가 생성되고 감지되는 전기 회로가 완성됩니다.회로는 기준 전극의 전도성 요소에서 주변의 염화칼륨 용액으로, 세라믹 막을 통해 테스트 용액, 유리 전극의 수소 이온 선택성 유리, 유리 전극 내부의 용액, 유리 전극의 은으로 가는 것으로 생각할 수 있습니다.그리고 마지막으로 디스플레이 [9]장치의 전압계.전압은 시험용액과 유리전극 내부의 용액 사이의 유리막 각 면의 수소이온 농도 차이로 인해 발생하는 전위차에 따라 시험용액마다 다릅니다.회로의 다른 모든 전위차는 pH에 따라 달라지지 않으며 [9]보정을 통해 보정됩니다.

단순성을 위해 많은 pH 측정기는 단일 프로브에 포함된 유리 전극과 기준 전극으로 구성된 조합 프로브를 사용합니다.조합 전극에 대한 자세한 설명은 유리 [10]전극에 대한 기사에 나와 있습니다.

pH 미터는 [11]측정의 정확성을 보장하기 위해 일반적으로 매번 사용하기 전에 알려진 pH 용액으로 보정됩니다.용액의 pH를 측정하기 위해, 전극은 탐침으로 사용되며, 시험 용액에 담그고 시험 용액의 수소 이온이 유리 전극의 전구 표면의 이온과 평형을 이룰 때까지 충분히 오래 유지됩니다.이 평형은 안정적인 pH [12]측정을 제공합니다.

pH 전극 및 기준 전극 설계

pH 전극의 유리막의 제작 및 미세구조에 대한 세부사항은 [13]: 125 제조업체에 의해 영업비밀로 유지됩니다.그러나 설계의 특정 측면이 게시됩니다.유리는 알칼리 금속 이온이 전류를 전달할 수 있는 고체 전해질입니다.pH 민감성 유리막은 균일한 막의 제조를 단순화하기 위해 일반적으로 구형입니다.이러한 막은 프로브를 내구성 있게 만들기 위해 원래 설계보다 두꺼운 최대 0.4mm 두께입니다.유리 표면에 규산염 화학 기능이 있어 용액에서 알칼리 금속 이온과 수소 이온의 결합 부위를 제공합니다.이는 10~10mol−8/cm2 범위의−6 이온 교환 용량을 제공합니다.수소 이온(H+)에 대한 선택성은 이온 전하의 균형, 다른 이온에 대한 부피 요구 사항 및 다른 이온의 배위 수에서 발생합니다.전극 제조업체들은 이러한 요소들, 특히 리튬 [13]: 113–139 유리와 적절하게 균형을 이루는 조성물을 개발했습니다.

염화은 전극은 pH 미터에서 기준 전극으로 가장 일반적으로 사용되지만 일부 설계에서는 포화 칼로멜 전극을 사용합니다.염화은 전극은 제조가 간단하고 높은 재현성을 제공합니다.기준 전극은 일반적으로 염화칼륨 용액에 담근 은/염화은 혼합물과 접촉하는 백금 와이어로 구성됩니다.세라믹 플러그는 테스트 용액과의 접촉 역할을 하여 두 [13]: 76–91 용액의 혼합을 방지하면서 낮은 저항을 제공합니다.

이러한 전극 설계를 통해 전압계는 ±1400밀리볼트의 [14]전위차를 감지합니다.전극은 사용 편의성을 위해 테스트 용액과 신속하게 평형을 이루도록 설계되었습니다.전극이 노화됨에 따라 평형 시간이 증가하지만 평형 [13]: 164 시간은 일반적으로 1초 미만입니다.

유지

오염물질에 대한 전극의 민감도 때문에 프로브의 청결도는 정확성과 정밀도를 위해 필수적입니다.프로브는 일반적으로 특정 프로브에 적합한 배지와 함께 사용하지 않을 때 촉촉하게 유지됩니다. 특정 프로브는 일반적으로 프로브 [11][15]제조업체에서 제공하는 수용액입니다.프로브 제조업체는 프로브 [11]설계를 청소하고 유지 관리하기 위한 지침을 제공합니다.예를 들어, 실험실 등급 pH의 한 제조업체는 특정 오염물질에 대한 세척 지침을 제공합니다. 일반 세척(표백제와 세제 용액에 15분 담그기), 소금(수산화나트륨과 물에 이어 염산 용액), 그리스(세제 또는 메탄올), 막힌 기준 접합(KCl 용액),단백질 침전물(펩신 및 HCl, 1% 용액) 및 기포.[15][16]

보정 및 작동

사진에 표시된 23°C 온도에서 5.739 pH/이온. inoLab에서 제조한 pH 7110 pH 미터

독일 표준화 연구소는 pH 미터, DIN 19263을 사용한 pH 측정 표준을 발표합니다.[17]

매우 정밀한 측정을 위해서는 각 측정 전에 pH 미터를 보정해야 합니다.보다 일반적으로 보정은 작업일에 한 번 수행됩니다.유리 전극은 장기간에 [13]: 238–239 걸쳐 재현 가능한 정전기 전위를 제공하지 않기 때문에 보정이 필요합니다.

우수한 실험실 관행의 원칙에 따라, 교정은 측정할 pH 값의 범위에 걸쳐 있는 최소 두 개의 표준 버퍼 솔루션으로 수행됩니다.일반적인 용도로는 pH 4.00 및 pH 10.00의 버퍼가 적합합니다.pH 미터에는 미터 판독값을 첫 번째 표준 버퍼의 값과 동일하게 설정하는 하나의 보정 컨트롤과 두 번째 컨트롤이 있으며, 두 번째 컨트롤은 미터 판독값을 두 번째 버퍼의 값으로 조정합니다.세 번째 컨트롤을 사용하면 온도를 설정할 수 있습니다.다양한 공급업체에서 제공하는 표준 버퍼 주머니는 일반적으로 버퍼 제어의 온도 의존성을 문서화합니다.보다 정밀한 측정을 위해서는 세 가지 다른 pH 값에서 보정이 필요한 경우가 있습니다.일부 pH 미터는 전극 프로브의 온도 열전대와 함께 내장된 온도 계수 보정 기능을 제공합니다.보정 프로세스는 프로브에서 생성된 전압(pH 단위당 약 0.06V)을 pH 척도와 상관시킵니다.각 측정 후 탐침을 증류수 또는 탈이온수로 헹궈 측정 중인 용액의 흔적을 제거하고 과학적인 물을 흡수하기 위해 과학적인 와이퍼로 블랏하여 샘플을 희석시켜 측정값을 변경하는 것이 우수한 실험실 관행입니다.그런 다음 [18]특정 프로브 유형에 적합한 저장 용액에 담급니다.

pH측정기의 종류

단순 pH측정기
토양 pH계

일반적으로 pH 미터에는 세 가지 주요 범주가 있습니다.벤치탑 pH 측정기는 종종 실험실에서 사용되며 분석을 위해 pH 측정기로 가져온 샘플을 측정하는 데 사용됩니다.휴대용 또는 필드 pH 미터는 필드 또는 생산 현장에서 [19]샘플의 pH를 측정하는 데 사용되는 휴대용 pH 미터입니다.pH 분석기라고도 하는 인라인 또는 현장 pH 측정기는 공정에서 pH를 연속적으로 측정하는 데 사용되며, 공정 [20]제어를 위해 독립적으로 또는 상위 수준의 정보 시스템에 연결할 수 있습니다.

pH 미터는 간단하고 저렴한 펜과 같은 장치에서부터 컴퓨터 인터페이스가 있는 복잡하고 비싼 실험실 기기까지 다양하며 온도로 인한 pH 변화를 조정하기 위해 입력해야 하는 지표 및 온도 측정을 위한 여러 입력에 이르기까지 다양합니다.출력은 디지털 또는 아날로그일 수 있으며, 장치는 배터리로 작동하거나 라인 전원에 의존할 수 있습니다.일부 버전에서는 원격 측정을 사용하여 전극을 전압계 디스플레이 [13]: 197–215 장치에 연결합니다.

특수 미터 및 프로브는 가혹한[21] 환경 및 생물학적 미세 [6]환경과 같은 특수 용도에 사용할 수 있습니다.이용 [22]가능한 다양한 pH 지표를 사용하여 pH를 색도로 측정할 수 있는 홀로그래픽 pH 센서도 있습니다.또한, 기존의 유리 [23]전극이 아닌 고체 전극을 기반으로 한 pH 측정기가 상용화되어 있습니다.

역사

"여기 새로운 벡만 포켓 pH 미터가 있습니다.", 1956

pH의 개념은 1909년 S. P. L. Sørensen에 의해 정의되었으며 1920년대에 [24]pH 측정에 전극이 사용되었습니다.

1934년 10월, Arnold Orville Beckman은 그의 "산도계"에 대한 미국 특허 제2,058,761호 pH 측정을 위한 완전한 화학 기구의 첫 번째 특허를 등록했고, 나중에 pH 측정기로 이름을 바꿨습니다.Beckman은 캘리포니아 과일 재배자 거래소(Sunkist)[25]: 131–135 를 위해 레몬 주스의 산도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 방법을 고안해 달라는 요청을 받았을 때 캘리포니아 공과대학의 화학 조교수로 이 프로토타입을 개발했습니다.

1935년 4월 8일, 벡먼의 국립 기술 연구소는 아서 H와 함께 과학 기구의 제조에 초점을 맞추었습니다.pH [25]: 131–135 측정기의 배급사인 Thomas Company.1936년 판매 첫 해에, 이 회사는 6만 달러의 [26]판매 가격으로 444 pH 미터를 판매했습니다.앞으로 몇 년 동안, 그 회사는 수백만 [27][28]개의 유닛을 팔았습니다.2004년에 Beckman pH 측정기는 최초의 상업적으로 성공한 전자 [26]pH 측정기로서의 중요성을 인정받아 ACS 국가 역사 화학 랜드마크로 지정되었습니다.

덴마크의 방사선 측정기 회사는 1935년에 설립되었고, 1936년경 의료용 pH 측정기를 판매하기 시작했지만, "산업용 자동 pH 측정기의 개발은 무시되었습니다.대신 미국의 기기 제조업체들은 양조장, 제지 공장, 알루미늄 공장, 수처리 [24]시스템과 같은 다양한 용도로 산업용 pH 측정기를 성공적으로 개발했습니다."

1940년대에 pH 미터용 전극은 종종 만들기 어려웠거나 깨지기 쉬운 유리 때문에 신뢰할 수 없었습니다.Werner Ingold 박사는 하나의 구조 단위에서 [29]측정과 기준 전극의 조합인 단일 막대 측정 셀의 생산을 산업화하기 시작했고, 이는 [30]제약 생산을 포함한 광범위한 산업 분야에서 광범위한 수용으로 이어졌습니다.

벡맨은 1956년 초에 휴대용 "Pocket pH Meter"를 시판했지만 디지털 [31]판독값은 없었습니다.1970년대 대만의 젠코 전자는 최초의 휴대용 디지털 pH 측정기를 설계하고 제조했습니다.이 미터기는 Cole-Parmer [32]Corporation이라는 상표로 판매되었습니다.

pH측정기 구축

전극에 대한 전문적인 제조가 필요하며, 전극의 설계 및 구성에 대한 세부 사항은 일반적으로 영업 [13]: 125 비밀입니다.그러나 적절한 전극을 구입하면 pH 미터의 [33]구성을 완료하기 위해 표준 멀티미터를 사용할 수 있습니다.그러나 상업적 공급업체는 교정 및 온도 [7]보상을 포함하여 사용을 단순화하는 전압계 디스플레이를 제공합니다.

참고 항목

레퍼런스

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외부 링크

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