(044) 221-93-73 (068) 867-43-47 (099) 423-46-53 (073) 041-80-26
Прилади для вимірювання кислотності ґрунту

Що таке водневий показник та шкала кислотності?

Для всіх, хто займається вирощуванням рослин чи то для приватних потреб чи в промислових масштабах, на відкритих ділянках чи в тепличних господарствах, питання контролю кислотності ґрунту є дуже важливим. З ряду причин. Найважливішим є те, що від рівня кислотності ґрунту безпосередньо залежить розвиток кореневої системи рослини  та її здатність засвоювати поживні речовини. Крім того, підвищення кислотності негативно впливає на розвиток корисної мікрофлори ґрунту, а також сприяє накопиченню важких металів в тканинах рослини. Для різних росли визначено оптимальні значення кислотності ґрунту, однак для більшості рослин ці значення лежать в діапазоні, близькому до нейтрального.

Для ґрунту розрізняють актуальну (або активну) і потенціальну кислотність ґрунту. Актуальна кислотність визначається активністю іонів водню в ґрунтовому розчині та контролюється рН-метрами в одиницях рН. Потенціальна кислотність полягає у появі додаткових водневих іонів у розчині при взаємодії ґрунту з добривами чи іншими хімічними речовинами. Іншими словами, через наявність у твердій фазі ґрунту кислот і кислотних агентів, як у дисоційованому, так і у недисоційованому стані, ґрунт може вести себе як слабка кислота. Розрізняють обмінну і гідролітичну потенціальну кислотність.

То що ж таке кислотність, і чому більш кисле середовище характеризується меншим значенням рН? Вперше поняття водневий показник рН ввів датський учений С.П.Л. Зëренсен в 1909 році для зручності представлення активності водневих іонів в розчині. Активність – ефективна концентрація компонент розчину з урахування можливих взаємодій між ними. Водневий показник рН є безрозмірною величиною і чисельно дорівнює від’ємному десятковому логарифму активності іонів водню: 

На практиці для розведених водних розчинів активність іонів водню Н+ (у водних розчинах іони гідроксонію [H3O+]) вважають рівною їх молярній концентрації.
Нейтральним вважається середовище, водневий показник якого рівний 7. Значення 7 для нейтрального середовища вибране не випадково, воно отримане із чисельного значення іонного добутку води при кімнатній температурі 22
°С.
За інших температурних умов значення рН нейтрального середовища може лежати в межах від 7,48 до 6,13.
Розчини, рН яких більше 7 є лужними, а яких менше 7 – кислотними (рис 2, [4]). Варто пам’ятати, що шкала рН є не арифметичною, а логарифмічною. Тому, коли говорять що значення рН двох розчинів відрізняється на 1, то це означає, що концентрація іонів водню в одному з них в 10 раз більша.

 Принципи вимірювання водневого показника

 Для визначення рН існує два методи – колориметричний і потенціометричний. Колориметричний ґрунтується на властивості деяких речовин, що називаються індикаторами (наприклад лакмус, фенолфталеїн, метиловий оранжевий та ін.), змінювати свій колір в залежності від рН досліджуваного розчину. Капнувши краплю досліджуваної речовини на лакмусовий папірець і порівнявши його колір з таблицями, визначаємо рН. Однак цей метод є дуже оціночним і не придатним для точних досліджень.

Найбільш точною методикою визначення рН є потенціометрична, основи якої заклав Вальтер Нернст. У 1889 році він записав рівняння, що показує пряму пропорційну залежність між електрорушійною силою та активністю іонів в розчині.

В загальному випадку, електрорушійна сила в електрохімічній комірці з двома електродами, зануреними в розчин електроліту (рис. 3 [8]), визначається як:  Е=Ек – Еа, де Ек в Еа – потенціали катода і анода відповідно, що, згідно з рівнянням Нернста, пов’язані з активністю іонів в розчині.

Для задачі визначення рН рівняння Нернста набуває вигляду:  де Е - електродний потенціал, Е0 – стандартний електродний потенціал, R – універсальна газова стала, F – число Фарадея, Т – абсолютна температура, n– число електронів, що приймають участь в електродній реакції.

Таким чином, суть потенціометриного методу вимірювання водневого показника зводиться до вимірювання електрорушійної сили системи, що складається з індикаторного (вимірювального) електрода та електрода порівняння. Потенціал індикаторного електрода залежить від активності іонів водню в розчині, а потенціал електрода порівняння, відносно якого вимірюється потенціал індикаторного електрода, відомий і незмінний.

Найбільш широкого застосування набув індикаторний скляний електрод з водневою функцією, а як електрод порівняння – хлорсрібний електрод. Розглянемо їх більш детально.

Будова та принцип роботи скляного електрода

Скляний електрод відноситься до іоноселективних, або мембранних електродів. Принцип дії такого електрода полягає в тому, що тонка мембрана (в даному випадку скляна) розділяє два середовища з різною активністю іонів водню (досліджуваний розчин і буферний розчин, яким заповнений електрод). Внаслідок цього між двома сторонами мембрани утворюється різниця потенціалів, яка і є вимірюваною величиною.
(рис. 4 [9]). Скляний електрод це комплексна система:

  •  корпус (може бути зі скла або пластику),
  • тонка мембрана, товщиною десяті міліметра. Виготовляється у вигляді сфери, конусу чи площини, в залежності від застосування,
  • всередині розміщений контактний електрод (зі срібла, платини), покритий покритий сіллю цього металу (найчастіше срібло з хлоридом срібла) 
  • який поміщений в буферний розчин, як правило слабкий розчин кислоти чи солі

 

 

Мембрана виготовляється зі спеціальних сортів скла, що характеризується певною електропровідністю. Таке скло є проникним для іонів водню Н+, і не проникним для інших іонів (селективність мембрани). Електропровідність його зумовлена наявністю іонів Na, К чи Li, що входять у його склад в процесі синтезу. Існують різні теорії, що пояснюють, яким чином виникає потенціал на скляному електроді.

Найбільше експериментальне підтвердження знайшли основні положення іонообмінної теорієї Б.П. Нікольського. Згідно з нею, в зовнішньому шарі мембрани, що межує з розчином, утворюється тонкий гідратований шар внаслідок того, що катіони лужних металів зі скла можуть переходити в розчин, а їх місце можуть займати інші катіони з розчину. Такі процеси відбуваються з обох сторін мембрани, і зі сторони досліджуваного розчину, і зі сторони буферного розчину в електроді. В кислих середовищах мембрана насичується іонами водню і скляний електрод набуває властивостей водневого електрода. В лужних середовищах вільні місця в кристалічній структурі скла займають катіони лужного металу і електрод набуває функцій металевого електрода.

Скляні електроди можуть бути різної конструкції. Наприклад, для вимірювання рН твердих речовин (таких як шкіра, папір, тощо) дуже зручними є електроди з плоскою мембраною. Для в’язких середовищ, для вимірювання рН ґрунту  для медичних застосувань, в харчовій промисловості часто застосовують електроди з конусною або загостреною поверхнею.

Особливої популярності набули комбіновані електроди (рис. 5, електрод PF 47), що поєднують в собі функції індикаторного електрода та електрода порівняння (допоміжного електрода). Конструктивно, це виглядає так, що скляний електрод поміщається у ще одну додаткову скляну (чи пластикову) колбу, у якій знаходиться ще один контактний електрод (як правило срібний дріт з шаром хлориду срібла) в буферному розчині (наприклад хлориду калію) (рис 6 [11]). Взаємодія електрода порівняння з досліджуваним розчином проходить через електролітичний ключ, функція якого стабілізувати потенціал допоміжного електрода. Розчин хлориду калію через пористу мембрану постійно просочується у зовнішній розчин

 

 

Беззаперечними перевагами скляного електрода є його стабільні характеристики, можливість роботи в широкому діапазоні значень рН та різних температурних режимах, вони характеризуються високою швидкодією, не піддаються окисленню. Однак для забезпечення правильної роботи, електроди потрібно зберігати у відповідних буферних розчинах, промивати дистильованою водою після кожного використання та калібрувати перед початком роботи [14].

Цитована література: