Электрохимические методы

Методы и приборы для определения активной кислотности (pH)потребительских товаров

Активная кислотность характеризуется концентрацией свободных ионов водорода в растворе. Значение водородного показателя pH определяют как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода.

Величина pH характеризует качество большинства пищевых продуктов. Этот показатель можно применять для контроля биохимических процессов, происходящих при переработке и хранении пищевых продуктов. Кроме того, с активной кислотностью среды теснейшим образом связана жизнедеятельность микроорганизмов.

Величина pH является также важным показателям качества многих непродовольственных товаров (шампуни, жидкое мыло).

Кислотность кожи человека колеблется в зависимости от топографии от 3 до 7, наиболее кислая реакция отмечается на поверхности головы (4,5-5,5), на коже груди (5,1-5,5) и на ладонях (6,2-6,5), наиболее щелочная реакция отмечается на поверхности кожи подмышечных впадин и паховых складок. Наличие кожных заболеваний изменяет ее pH. Поэтому при разработке косметических средств очень важно учитывать водородный показатель, который регламентирован нормативной документацией.

Например, в соответствии с ГОСТ Р 51579-2000 “Продукция косметическая жидкая. Общие технические условия” водородный показатель pH лосьонов, лосьонов-тоников, тоников нормируется в пределах 1,2-8,5, средств для завивки и укладки волос — 4,0-8,0, дезодорантов, антиперспиран- тов — 3,0-8,0.

Величина pH шампуней, которая является одним из важных показателей их потребительских свойств, нормируется в пределах 5,0-8,5 единицы (ГОСТ 31696-2012 “Продукция косметическая гигиеническая моющая. Общие технические условия”). Наиболее широкое распространение в мировом производстве получили шампуни на основе синтетических поверхностно-активных веществ. В отличие от мыла на жировой основе и шампуней на мыльной основе, они в подавляющем большинстве не сушат и не обезжиривают сильно кожу головы и волосы, имеют слабокислую или нейтральную реакцию, что важно не столько для кожи головы, сколько для волос (в щелочной среде прочность волос снижается, они сильно набухают). Кроме того, такие шампуни обеспечивают должный уровень моющей способности и пенообразо- вания как в мягкой, так и в жесткой воде.

Для пушно-меховых полуфабрикатов нормируется pH водной вытяжки кожевой ткани, он, как правило, должен быть не менее 4,0. Для некоторых видов полуфабрикатов в нормативных документах указывается допустимый диапазон значений этого показателя, например, для выделанных шкурок сурка и тарбагана — 4,5-7,0, для выделанных меховых шкурок кролика — 3,5-7,0.

Кислотность кожевой ткани характеризует способность меховых изделий храниться в течение длительного времени. Если реакция водной вытяжки является слишком щелочной или слишком кислой, то под воздействием атмосферных факторов может происходить выпадение волосяного покрова или разрушение кожевой ткани и соединительных швов, что также приводит к разрушению мехового изделия. Кроме того, повышенное содержание кислоты в кожевой ткани приводит к ее постоянному испарению в процессе эксплуатации меховых изделий, что является вредным для здоровья человека, т. е., с другой стороны, pH водной вытяжки кожевой ткани характеризует безопасность, которая важна для изделий, имеющих непосредственный контакт с кожей человека.

Стандарт “Экотекс 100” Международной организации стандартизации в области экологического текстиля “Экотекс” устанавливает более жесткие требования для текстильных изделий детского ассортимента и изделий, большая часть поверхности которых контактирует с кожей человека (нательное и постельное белье, блузки, брюки и т. д.), — pH водной вытяжки из ткани должен быть в пределах 4,0-7,5, обусловлено тем, что pH человеческой кожи составляет 4,5-5,5 (изо- электрическая точка). Показатель pH верхней одежды и изделий, используемых в доме, общественных местах, транспорте, может быть выше — 4,0-9,0. В России сертификация на соответствие стандарту “Экотекс 100” является добровольной, но в связи с вступлением России в ВТО ее значение повышается, поскольку ее проведение демонстрирует конкурентоспособность текстильной продукции отечественного производства.

Потенциометрический метод измерения pH. Концентрацию водородных ионов можно определить по потенциалу, который возникает на границе различных электродов, помещенных в исследуемый раствор. При погружении электрода в раствор на границе электрод-раствор возникает электрический потенциал, так как ионы электрода переходят в раствор. При этом электрод (металл) заряжается положительно, а пограничный слой раствора — отрицательно.

Возникающие пограничные потенциалы функционально связаны с активной концентрацией ионов водорода. Однако технически можно измерить лишь разность потенциалов. Поэтому прибор для измерения pH состоит из двух полу- элементов, или электродов: потенциал одного из них прямо или косвенно зависит от концентрации определяемых ионов — его называют индикаторным электродом; второй электрод, относительно которого измеряется потенциал индикаторного электрода, называется электродом сравнения.

При помощи pH-метра измеряют разность потенциалов между двумя электродами, помещенными в раствор. Основой такой системы служит электрод, потенциал которого зависит от pH. Чаще всего в качестве такой pH-зависимой ячейки используют стеклянный электрод, принцип действия которого основан на том, что некоторые типы боросиликатного стекла проницаемы для ионов Н+, но непроницаемы для любых других катионов или анионов. Если тонкий слой такого стекла поместить между двумя растворами с различными концентрациями ионов Н+, эти ионы будут диффундировать сквозь стекло из раствора с высокой концентрацией ионов водорода в раствор с низкой концентрацией. Стеклянный электрод содержит 0,1 М раствор соляной кислоты в контакте со стеклом, проницаемым для ионов Н+. К измерительному прибору его присоединяют проволокой, покрытой хлоридом серебра и погруженной в соляную кислоту (рис. 2.1).

Цепь замыкается при погружении в раствор электрода сравнения, который чаще всего содержит пасту Hg | Hg2Cl9 в насыщенном растворе хлорида калия. Хлорид калия служит для создания контакта между каломельным полуэлементом и раствором, в котором проводят измерение.

Такой полуэлемент помещают в стеклянный корпус, непроницаемый для ионов Н+ (его потенциал не зависит от pH). Электрический контакт между раствором хлорида калия внутри электрода сравнения и измеряемым раствором осуществляется с помощью тонкой нити или капилляра в стеклянном корпусе. Напряжение, измеряемое такой системой, является, прежде всего, разностью потенциалов между стеклянным электродом и электродом сравнения.

Измеряя электродвижущую силу электродной системы электронным милливольтметром, шкала которого градуирована в единицах pH, определяют pH контролируемого раствора.

Стеклянный электрод и электрод сравнения

Рис. 2.1. Стеклянный электрод и электрод сравнения:

  • 1 — измерительный прибор; 2 — электрод сравнения;
  • 3 — отверстие для заполнения электрода хлоридом калия;
  • 4 — Hg | Hg,Cl2 (каломель) в насыщенном растворе хлорида калия; 5 — кристаллы хлорида калия; 6 —пористая мембрана;
  • 7 — раствор; 8 — стекло, проницаемое для ионов водорода;
  • 9 — 0,1 М раствор соляной кислоты; 10 — серебряная проволока, покрытая хлоридом серебра; 11 — стеклянный электрод

Экспресс-метод измерения pH основан на окрашивании индикаторной бумаги при смачивании ее испытуемым раствором и на сравнении полученной окраски со шкалой сравнения.

Данный метод обеспечивает быстроту анализа, однако его можно использовать только для установления ориентировочной величины pH. В то же время существует индикаторная бумага типа “Рифан” (пределы измерения pH — 5,8-7,4), с помощью которой определяют pH непосредственно в мясных тушах. Величина отклонения pH по сравнению с потенциометрическим методом составляет 0,4 единицы.

Колориметрический метод измерения pH основан на свойстве индикаторов изменять свою окраску в зависимости от pH раствора. Для колориметрического определения pH можно использовать универсальный индикатор, состоящий из смеси индикаторов, охватывающих зону перехода окраски в области pH от 4,0 до 10,5 (табл. 2.1). Универсальный индикатор представляет собой смесь, состоящую из 0,1 г метилового красного, 0,2 г бромтимолового синего, 0,4 г фенолфталеина и растворенную в этаноле в мерной колбе вместимостью 500 см3.

Колориметрический метод используют для установления приближенного значения pH неизвестного раствора с погрешностью 0,5-1,0.

Таблица 2.1

Изменение цвета раствора в зависимости от величины pH

pH

Цвет

pH

Цвет

4,0

Красный

7,5

Зеленый

4,5

Оранжево-красный

8,0

Зелено-синий

5,0

Оранжевый

8,5

Синий

5,5

Оранжево-желтый

9,0

Серо-фиолетовый

6,0

Желтый

9,5

Сине-фиолетовый

6,5

Лимонно-желтый

10,0

Фиолетовый

7,0

Желто-зеленый

10,5

Красно-фиолетовый

Принцип работы приборов для измерения pH основан на измерении электродвижущей силы элемента, состоящего из электрода сравнения с известной величиной потенциала и индикаторного электрода, потенциал которого обусловлен концентрацией ионов водорода в испытуемом растворе.

Для измерения pH существуют приборы: рН-метр 340, иономер ЭВ-74, иономер 130, портативные pH-метры, цифровые pH-метры и др. Все приборы для измерения pH состоят из двух основных элементов (рис. 2.2) — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах pH, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами.

Мономер универсальный для определения pH

Рис. 2.2. Мономер универсальный для определения pH

В современных портативных цифровых pH-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод.

Прибор включают в сеть и прогревают не менее 30 мин. Перед проведением испытаний осуществляют проверку прибора по стандартным буферным растворам с pH 3,57; 4,00; 5,00; 6,88; 9,22 при температуре 20 °С по прилагаемым к приборам инструкциям. После проверки электроды тщательно промывают дистиллированной водой.

Затем концы электродов погружают в предварительно подготовленный испытуемый раствор, и после того, как показания прибора примут установившееся значение, отсчитывают величину pH по шкале прибора.

Если прибор имеет несколько диапазонов измерения, то показания на широком диапазоне измерений pH (от 1,0 до 14,0) отсчитывают по нижней шкале прибора, а показания на узких диапазонах pH (1-2; 2-5; 5-8; 8-11; 11-14) отсчитывают по верхней шкале, переведя переключатель “размах” из положения 15 pH в положение 3 pH (только на время отсчета показаний), а переключатель “предел измерений” — в необходимый диапазон. После каждого измерения электроды тщательно промывают дистиллированной водой.

Для измерения pH существуют портативные приборы. pH-метр модель 2696 — портативный прибор с автоматической температурной компенсацией в диапазоне от 0 до 40 °С — предназначен для измерения pH и температуры водных растворов, мясной, молочной, рыбной и другой пищевой продукции. Кроме того, pH-метр может использоваться в качестве милливольтметра. В основу работы pH-метра положен потенциометрический способ измерения pH. Потенциал с комбинированного pH-электрода подается на измерительный преобразователь, где усиливается, фильтруется, преобразуется в цифровой код, обрабатывается, и в виде значения pH выводится на цифровой дисплей. Для измерения температуры и автоматической температурной компенсации изменений показаний прибора от температуры анализируемой среды служит датчик температуры, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры измеряемой среды. Преобразователь измеряет сопротивление, рассчитывает температуру среды, выводит на цифровой дисплей и учитывает при измерении pH.

Внешний вид pH-метра показан на рис. 2.3. pH-метр состоит из измерительного преобразователя 1, комбинированного рН-электрода 2 и датчика температуры 3.

Внешний вид портативного рН-метра

Рис. 2.3. Внешний вид портативного рН-метра:

  • 1 — измерительный преобразователь; 2 — комбинированный pH-электрод; 3 — датчик температуры; 4 — разъем для подключения рН-электрода; 5 — разъем для подключения датчика температуры; 6 — кнопки управления;
  • 7 — цифровое табло

Измерительный преобразователь 1 выполнен в корпусе из пластмассы, внутри которого находится двухсторонняя плата с электронными элементами. На лицевой панели находятся кнопки включения и отключения питания, кнопки выбора режима и настройки, кнопки для настройки прибора по стандартным буферным настройкам 6. На верхней части панели расположено цифровое табло 7 для отображения измеряемых величин. На верхней панели измерительного преобразователя расположены разъемы 4 и 5 для подключения pH-электрода и датчика температуры соответственно. На обратной стороне измерительного преобразователя расположены отсек для аккумуляторной батареи и подставка для стационарной установки pH-метра на столе. Внешний вид pH-электрода показан на рис. 2.4.

Внешний вид рН-электрода

Рис. 2.4. Внешний вид рН-электрода:

А — провод с разъемом; В — головка электрода;

С — корпус электрода из полиоксиметилена;

D — эталонная система (полимерный электролит);

Е — отверстие; F — pH-чувствительное стекло (иглообразное); G — увлажняющий колпачок

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >