Гальванические преобразователи

   Принцип действия гальванических преобразователей основан 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.

   Наиболее широкое применение гальванические преобразователи получили в качестве преобразователей pH-метров – приборов для измерения активности (концентрации) водородных ионов [3]. При этом концентрация водородных ионов определяется по разности потенциалов, которая возникает на электродах, опущенных в исследуемый раствор.

   Известно, что дистиллированная вода имеет слабую, но вполне определенную электрическую проводимость, что объясняется ионизацией воды, которая происходит по схеме

.

   При равновесии процессов диссоциации (образования ионов) и образования из ионов молекул воды произведение концентраций положительных [ ] и отрицательных [ ] ионов в воде практически постоянно (при постоянной температуре) и равно (моль/л)², причем в чистой воде концентрации положительных и отрицательных ионов одинаковы и равны  моль/л.

   Таким образом, растворы, в которых число ионов водорода [ ] и гидроксила [ ] одинаково, нейтральны.

   При растворении в воде кислоты увеличивается концентрация положительных ионов [ ]. При этом согласно закону действующих масс концентрация [ ] станет меньше, чем в нейтральном растворе, за счет воссоединения части образовавшихся ионов [ ] с ионами [ ] в таком количестве, чтобы выполнялось условие постоянства произведения концентрации ионов [ ] и [ ].

   При растворении в воде щелочи увеличивается концентрация [ ], а концентрация [ ] соответственно уменьшается.

   Концентрацию водородных ионов характеризуют так называемым водородным показателем pH = – lg[ ]. Например, если [ ] = , то pH = 9. Обозначение pH было введено в 1907 г. датским химиком Серенсеном по начальным буквам латинских слов «pondus Hydrogenic», что означает в переводе  «вес   водорода».     Растворы с pH < 7 являются кислыми,  а растворы с pH > 7 – щелочными.

   Для измерения концентрации водородных ионов, т. е. для определения pH, применяется метод, основанный на измерении электродного (пограничного) потенциала между водородом и раствором, содержащим ионы [ ]. При этом создается так называемый водородный электрод, основанный на свойстве водорода адсорбироваться на поверхности платины, иридия и палладия. Обычно водородным электродом служит покрытый чернью платиновый электрод, к которому непрерывно подводится газообразный водород.

   Так как измерить абсолютное значение потенциала невозможно, его измеряют относительно другого потенциала. Поэтому гальванический преобразователь всегда состоит из двух полуэлементов, электрически соединенных друг с другом: рабочего (измерительного), представляющего собой исследуемый раствор с электродом, и сравнительного (образцового) с неизменным пограничным потенциалом, состоящего из электрода и раствора с постоянной концентрацией [3], [4].

   В качестве сравнительного полуэлемента можно использовать водородный электрод с нормальной постоянной концентрацией водородных ионов. При промышленных измерениях применяется более удобный сравнительный каломельный электрод. Широко используются также стеклянные электроды.

   Приборы, предназначенные для анализа жидких растворов по водородному показателю (pH-метры), широко применяются для контроля различных химических процессов. Они состоят соответственно из гальванического преобразователя и измерительного устройства.

   Основной влияющей величиной при измерении pH является температура. С изменением температуры анализируемой жидкости меняются потенциалы измерительного и сравнительного электродов. Выходной сигнал гальванической ячейки с ростом температуры увеличивается в первом приближении по линейному закону [4]. Известны схемы pH-метров, у которых предусмотрена коррекция показаний в зависимости от температуры анализируемой жидкости [17].

   ЭДС гальванических преобразователей измеряется при помощи автоматических компенсаторов с большим входным сопротивлением (не менее 10¹⁰Ом).