Задание 2.

Дать описание оптико – акустического газоанализатора, его принципа действия, уравнения измерения, устройства, области применения.

Методические указания

Принцип действия оптико-акустических газоанализаторов основан на яв­лении избирательного поглощения анализируемым компонентом энергии излу­чения определенной длины волны, причем интенсивность этого поглощения зависит от концентрации анализируемого компонента в газовой смеси. Эта зависимость описывается выражением:

Ех = Е0 •  •ехр (l•z • С),

где Ео , Ех — интенсивность излучения на входе в поглощающий слой и после прохождения слоя газа;  — коэффициент поглощения, характер­ный для анализируемого компонента газовой смеси и длины волны ; С — концентрация анализируемого компонента в газовой смеси; z — толщина по­глощающего слоя.

Задача. Двухэлектродная ячейка кондуктометрического концентратомера

Возможна ли компенсация температурной погрешности концентратомера, если в качестве компенсатора использовать только медное сопротивление R_м.

Электроды измерительной ячейки (рис. 4) не зашунтированы. Ячейка заполнена 5%-ным раствором КС1, удельная электропроводность при 20° С состав­ляет 7,18 См/м, температурный коэф­фициент р = 0,020 К-¹- Постоянная ячейки Кя =190 . Температурную компенсацию необходимо осуществить при температурах Т1 и Т2 (° С ).

Рис. 4

Таблица 2.

Исходные данные задачи

Вариант	Т1	Т2	Вариант	Т1	Т2
1	33	20	6	22	32
2	15	25	7	15	22
3	20	30	8	21	40
4	16	35	9	23	30
5	17	40	0	18	22

Задание 3

Дать определение показателя рН, изложить принцип действия рН -метра, уравнение водородной функции, понятие изопотенциальной точки.

Методические указания

Измерение рН растворов и пульп производится потенциометрическим анализатором. Принцип действия основан на возникновении электродного потенциала на границе металл-раствор (равновесный потенциал), величина которого при прочих равных условиях зависит от концентрации ионов металла в растворе. При погружении металлического электрода в раствор, содержащий ионы этого металла, между поверхностью электрода и раствором установится равновесие по уравнению

Ме⁰  Меⁿ⁺ + n e^- (9)

Величина равновесного потенциала определится по уравнению Нернста; а именно:

Ex = E₀ + (RT/nF) ln C_Me+ ,

где E_x – потенциал металлического электрода при данной (искомой) концентрации ионов металла в растворе, В; E₀ – потенциал этого же электрода в растворе с концентрацией ионов, равной единице (1N,1г-экв), называемый стандартным (нормальным) электродным потенциалом, В.

R=8,313 Дж – универсальная газовая постоянная;

F=96500 k – число Фарадея;

n – заряд ионов металла ( валентность);

T – температура раствора, К.

C_Me+ - активная концентрация ( активность) ионов металла в растворе.

Величины некоторых нормальных электродных потенциалов приведены в приложении I.

Принимая коэффициент активности равным единице, температуру раствора равной t =+20 ⁰С, перейдя к десятичным логарифмам и подставив значения физических постоянных (R,F) получают уравнение Нернста в следующем виде:

Ex = E₀ + 0,058/n lg C_Me

Прямым измерением определить величину потенциала Ex невозможно ( в любом случае возникает контактная пара). Для определения используют косвенное измерение, основанное на сравнении потенциала Ex одного электрода, называемого измерительным (индикаторным), относительно потенциала другого электрода, называемого сравнительным (вспомогательным) электродом. Потенциал измерительного электрода изменяется в зависимости от концентрации ионов в растворе и его температуры по уравнению Нернста. Потенциал сравнительного электрода должен оставаться постоянным и не зависеть от концентрации ионов металла в растворе. Условно в качестве эталона выбран идеальный электрод сравнения, с потенциалом которого можно сравнивать потенциалы других электродов, называемый нормальным водородным электродом .

Нормальный водородный электрод выполнен в форме платиновой пластинки, покрытой платиновой чернью, насыщенной водородом при нормальном атмосферном давлении и имеющей площадь 1см² (рис.5). Нормальный потенциал нормального водородного электрода условно принят равным нулю при всех значениях температуры раствора.

Рис. 5. Нормальный водородный электрод

Г азообразный водород, растворенный Н₂

в металле, образует с ионами водорода

о кислительно-восстановительную

с истему

Н ₂ 2Н + 2е^- (9)

Измерение рН. Показатель рН (р – potenzio, степень; Н – символ водорода ) введен датским ученым Лоренцом, чтобы упростить уравнение Нернста. Концентрация Н-ионов в растворе определяет кислотность растворов. По определению рН – это условный безразмерный показатель, численно равный отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода в растворе:

pН = - lg [ H⁺ ] (10)

С учётом данного выражения и того, что ионное произведение воды равно

10^-14 ( уравнение 11)

К_н2о = = [H+][OH^-] = 10 ^-14, (11)

легко получить значение рН нейтральной жидкости, например, дистиллированной воды: рН =7. Если рН  7, то среда кислая, если рН  7 – среда щелочная.

Подставив соответствующие значения в уравнение Нернста, получим уравнение связи показателя рН и электродного потенциала измерительного электрода (для t =20⁰C и Е₀ = 0):

E_x = E₀ + 0,058 lg[H ⁺] = E₀ - ( - 0,058 lg[H ⁺] ) = - 0,058 pH_x , B (12)

Из уравнения (12) следует:

функциональная зависимость между переменными линейная;

при изменении рН раствора на единицу потенциал электрода должен измениться на 58 мВ при данной температуре;

показания прибора будут зависеть от температуры раствора, т.е. может иметь место температурная погрешность. Потому в приборах предусмотрена схема автоматической компенсации температурной погрешности с помощью включения в измерительную схему термометра сопротивления, погруженного в раствор.

Устройство рН –метра. В состав рН – метра входят:

1. измерительная ячейка проточного или погружного типа, состоящая из измерительного и вспомогательного электродов;

2. электронный усилитель с высоким входным сопротивлением ( рис. 6).

По принципу действия высокоомные усилители рН-метров делятся на три группы:

• приборы с непосредственным отсчетом;

• приборы с астатической компенсацией;

• приборы со статической компенсацией.

Наиболее распространены приборы последней группы благодаря более высокой стабильности и точности (рис.4).

По закону Кирхгофа измеряемая ЭДС равна Ех = Uвх + Uвых . В свою очередь Uвх = Uвых / К (К – коэффициент усиления усилителя).

Ех = Uвых/K + Uвых = Uвых ( 1/K + 1) (13)

При К=10 000 1/ K @ 0). Подставив это значение Uвх в уравнение, получим:

Ех = Uвых = Iвых R. (14)

Таким образом, сила выходного тока пропорциональна измеряемой ЭДС измерительной электродной ячейки рН - метра.

Измерительный стеклянный электрод ( см. рис.7) представляет собой трубку 1 из обычного (кремниевого ) стекла, имеющей на конце шарик из литиевого или натриевого стекла 3 диаметром 15-20 мм с толщиной стенок 0,006 – 0,1 мм. Трубка и шарик заполнены 0,1 N ( децинормальным) раствором 2 HCl , куда погружен контактный серебряный электрод 4. При погружении

такого электрода в раствор ионы лития или натрия замещаются ионами водорода из раствора за счет взаимной диффузии.

Рис. 7. Измерительный стеклянный электрод:

1

4 2

1 – трубка из силикатного стекла; 2 –раствор

электролита; 3 – шарик из литиевого стекла; 3

4 – контактный электрод

Потенциал стеклянного электрода меняется при изменении температуры контролируемого раствора вследствие изменения коэффициента RT/F в уравнении Нернста. Зависимость ЭДС электродной ячейки от рН и температуры представляет семейство прямых, пересекающихся в одной точке (И, см. рис.9). Эта точка называется изопотенциальной. Координаты изопотенциальной точки [рНи, Еи] являются важной характеристикой любой пары электродов и указываются в их паспорте. С учетом этих координат уравнение измерения для электродной системы примет окончательный вид:

E_x = Eи - ( S₀ + at) ( pHи - pH_x) , (15)

где Еи, рНи – координаты изопотенциальной точки;

S₀ = D E / DpH = RT/F - крутизна водородной функции при 0⁰ С;

а– температурный коэффициент; t – температура,⁰С.

Компенсация температурной погрешности рН – метра достигается путем включения в измерительную схему термометра сопротивления, погруженного в исследуемый раствор [1]. При технологических измерениях или поверке рН – метра предварительно выставляются координаты точки И, параметры крутизны S₀.

30⁰С 20⁰С 10⁰С

Е х,

мВ

500

400

3 00

И

200

Е_и

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

_рНи водородный показатель, ед. рН

Рис. 9 . График зависимости Ех от рН и температуры раствора

Область применения.

Потенциометрические анализаторы имеют широкое применение как для научных исследований, так и для контроля и управления технологических процессов. Они применяются для определения концентрации тех или иных ионов в растворах ( иономеры), ( рН – метры), измерения окислительно –восстановительных потенциалов ( редокс-метры, ОВП –метры). Информационно –измерительные системы, включающие данные анализаторы, необходимы в химической технологии, пищевой промышленности, при обогащении полезных ископаемых, водоподготовке для теплоэнергетических установок, при очистке промстоков и др.

В лабораторных условиях метод потенциометрии применялся для потенциометрического титрования при качественном и количественном анализе.