盧俊平，何春澤，霍貞，王潔

（軍事醫(yī)學(xué)研究院科研保障中心，北京 100850）

作為實(shí)驗(yàn)室常見的電化學(xué)分析儀器之一，pH(酸度)計(jì)主要由電計(jì)和測量電極兩部分組成，常用來測量水溶液的pH 值[1]，廣泛應(yīng)用于化學(xué)化工、科研開發(fā)、質(zhì)量檢驗(yàn)、環(huán)保監(jiān)測、食品安全、醫(yī)院檢驗(yàn)等方面。其測量原理為先用pH 標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的電動勢校準(zhǔn)pH計(jì)的電極，然后用電極測量溶液的電池電動勢，根據(jù)溶液能特斯方程計(jì)算出目標(biāo)溶液的pH值[2-4]，如式（1）所示：

式中：pHX、pHS——目標(biāo)溶液、標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值；

ES、Ex——標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液、樣品溶液的電動勢；

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；

F——法拉第常數(shù)，C/mol；

T——熱力學(xué)溫度，K；

k——能特斯方程的理論斜率。

pH 計(jì)直接測量的是溶液的電動勢而非pH 值，而溫度是影響pH值的關(guān)鍵因素。

1 實(shí)驗(yàn)室pH(酸度)計(jì)校準(zhǔn)方法

在日常使用時，為確保pH 計(jì)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需用pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液定期對其進(jìn)行校準(zhǔn)。JJG 119—2018《實(shí)驗(yàn)室pH (酸度)計(jì)檢定規(guī)程》推薦了10 種一級pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液[4]，實(shí)驗(yàn)室常用鄰苯二甲酸氫鉀(KHC8H4O4)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4)和磷酸二氫鉀(KH2PO4)、硼砂(Na2B4O7·10H2O)這4種pH標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為pH計(jì)校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。根據(jù)使用頻率、保養(yǎng)周期、樣品性質(zhì)以及測量精度，確定pH計(jì)的校準(zhǔn)頻率，至少每周校準(zhǔn)一次測試電極。若每天均使用pH計(jì)，則建議每天校準(zhǔn)一次測試電極。若更換電極或電極長久未使用，則在使用前應(yīng)先校準(zhǔn)電極。常見的校準(zhǔn)方法有單點(diǎn)校準(zhǔn)、兩點(diǎn)校準(zhǔn)、三點(diǎn)校準(zhǔn)[5-6]。

1.1 單點(diǎn)校準(zhǔn)

pH 計(jì)直接測量的是溶液的電動勢而非pH 值，將溶液能特斯方程進(jìn)行變換，得到式（2）：

單點(diǎn)校準(zhǔn)時溫度確定（如25 ℃），則k=為常數(shù)，只需求出(ES+k×pHS)的值，即完成單點(diǎn)校準(zhǔn)。單點(diǎn)校準(zhǔn)使用的前提是被測溶液的溫度和校準(zhǔn)溶液的溫度一致；若不一致時，k值則會發(fā)生變化。實(shí)際測量pH值大多不是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件，若繼續(xù)用單點(diǎn)校準(zhǔn)，將會導(dǎo)致測量結(jié)果的pH值偏大。故單點(diǎn)校準(zhǔn)適用于測量精度在0.1級以下pH計(jì)的校準(zhǔn)，一般選用pH 值為6.86 或pH 值為4.01 標(biāo)準(zhǔn)緩沖液進(jìn)行“定位”校準(zhǔn)。

1.2 兩點(diǎn)校準(zhǔn)

進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)時，設(shè)所獲得第一個樣品的pH值為pH1，對應(yīng)電壓E1；第二個樣品的pH 值為pH2，對應(yīng)電壓E2。分別代入式（2），聯(lián)解得到式（3）：

然后代入能特斯方程中得到(ES+k×pHS)的值，即完成兩點(diǎn)校準(zhǔn)。由式（3）可知溫度對k值影響在兩點(diǎn)校準(zhǔn)后已相互抵消。換言之這種情況允許pH計(jì)存在誤差，這種系統(tǒng)誤差傳遞給后續(xù)測量的過程中可相互抵消，不影響pH計(jì)。故兩點(diǎn)校準(zhǔn)適用于精密級pH 計(jì)的校準(zhǔn)。一般先以pH 值為6.86 進(jìn)行“定位”校準(zhǔn)；然后根據(jù)目標(biāo)溶液的酸堿情況，選用pH值為4.01(酸性)或pH值為9.18(堿性)的緩沖溶液進(jìn)行“斜率”校準(zhǔn)。實(shí)際測試中，采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)就可滿足儀器使用要求。注意選擇標(biāo)準(zhǔn)液時，應(yīng)使目標(biāo)溶液的pH值落在校正的pH范圍內(nèi)。

1.3 三點(diǎn)校準(zhǔn)

兩點(diǎn)校準(zhǔn)是通過兩個點(diǎn)來獲得直線的零點(diǎn)和斜率，當(dāng)有一個點(diǎn)發(fā)生偏差時，會導(dǎo)致零點(diǎn)和斜率的偏差；為了獲得更精確的零點(diǎn)和斜率，采用第三個點(diǎn)通過最小二乘法獲得擬合直線的零點(diǎn)和斜率［6］。設(shè)所獲得第一個樣品的pH 值為pH1，對應(yīng)電壓E1；第二個樣品的pH 值為pH2，對應(yīng)電壓E2；第三個樣品的pH值為pH3，對應(yīng)電壓E3。則三點(diǎn)電壓平均值為Eˉ=，三點(diǎn)pH平均值為

一般pHS為等電位pH值（常取pH值為7），校準(zhǔn)也就是確定等電位下的電壓值。將式（2）轉(zhuǎn)換為電壓與pH值的直線關(guān)系式，如式（4）所示：

由最小二乘法計(jì)算原理知，誤差方程為式（5），然后取平方并加合得到式（6）：

故有：

由式（9）、（10）可知，校準(zhǔn)直線的零點(diǎn)和斜率與溫度無關(guān)，并且還將零點(diǎn)和斜率的偏差確定到最小，大幅提高了儀器測量的準(zhǔn)確度。所以當(dāng)測量pH 值范圍較大且要求更高的精確度時應(yīng)采用三點(diǎn)校準(zhǔn)。一般先對pH值7或6.86進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)“定位”，然后先校酸后校堿。另外五點(diǎn)校準(zhǔn)也日常使用中應(yīng)用，同三點(diǎn)校準(zhǔn)原理相同，只是增加校準(zhǔn)點(diǎn)，對儀器的精確度有一定的提升，但是降低了儀器的測試速度；故一般三點(diǎn)校準(zhǔn)即可。當(dāng)未知溶液的酸堿性時，通過pH值為7、4、10 三點(diǎn)校準(zhǔn)即可獲得比兩點(diǎn)校準(zhǔn)更為準(zhǔn)確地測試，省去了通過不斷校準(zhǔn)來獲得準(zhǔn)確值的麻煩；確定溶液的酸堿性后可在溶液所在酸性或堿性范圍內(nèi)校準(zhǔn)三點(diǎn)，獲得更準(zhǔn)確的測試值。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 主要儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)室pH(酸度)計(jì)：PB-10 型，pH 測量范圍為0～14.00，德國賽多利斯集團(tuán)。

電子天平：MSA6.6S-CE 型，測量范圍為0.1 mg～6.1 g，感量為0.001 mg，德國賽多利斯集團(tuán)。

精密恒溫水槽：LSYB-1 型，測量范圍為5～60 ℃，國防科技工業(yè)應(yīng)用化學(xué)一級計(jì)量站。

單標(biāo)線容量瓶：250 mL，A 級，天玻玻璃儀器有限公司。

鄰苯二甲酸氫pH 溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號為GBW(E) 130194，25 ℃時pH 值為4.00，擴(kuò)展不確定度U=0.01（k=3），國防科技工業(yè)應(yīng)用化學(xué)一級計(jì)量站。

磷酸二氫鉀pH 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號為GBW (E)130195，25 ℃時pH值為6.86，擴(kuò)展不確定度U=0.01（k=3），國防科技工業(yè)應(yīng)用化學(xué)一級計(jì)量站。

磷酸氫二鈉pH 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號為GBW (E)130195，25 ℃時pH值為6.86，擴(kuò)展不確定度U=0.01（k=3），國防科技工業(yè)應(yīng)用化學(xué)一級計(jì)量站。

硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號為GBW (E)130196，25 ℃時pH 值為9.18，擴(kuò)展不確定度U=0.01（k=3），國防科技工業(yè)應(yīng)用化學(xué)一級計(jì)量站。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

由能斯特方程可知，溫度是影響測量的重要因素[7]。不同的溫度下，pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液的pH 值是不同。根據(jù)pH 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定證書[8]，不同pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同溫度下的pH 值見表1，分析可知硼砂標(biāo)準(zhǔn)溶液（堿性）的pH 值比鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（酸性）的pH值更易受溫度變化的影響，故在校準(zhǔn)前須特別注意目標(biāo)溶液的溫度，檢查標(biāo)準(zhǔn)溶液溫度與目標(biāo)溶液溫度是否接近，若不接近，應(yīng)用恒溫水槽控溫。

表1 pH標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同溫度下的pH值

Sartorius PB-10 的pH 計(jì)（帶有自動溫度補(bǔ)償器）實(shí)際使用環(huán)境條件要求是：環(huán)境溫度為10～30 ℃，相對濕度小于85%。研究其在15～25 ℃內(nèi)不同溫度對pH 值測量結(jié)果的影響。具體實(shí)驗(yàn)方案為：（1）在不同溫度下先用磷酸氫二鈉和磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液單點(diǎn)校準(zhǔn)，后用鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測試驗(yàn)證；（2）在不同溫度下先用磷酸氫二鈉和磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液、鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)，然后用硼砂標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測試驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)過程中用精密恒溫水槽調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)溶液所需溫度。

磷酸氫二鈉和磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液在15～25 ℃內(nèi)pH 標(biāo)準(zhǔn)值為6.86～6.90，每隔1 ℃直接用pH 計(jì)測試pH 值，結(jié)果見圖1。由圖1 可見，在15～25 ℃內(nèi)直接測量pH 值的極差為0.02；15 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為-0.27，20 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為-0.27，25 ℃與標(biāo)準(zhǔn)pH值的差為-0.25。校準(zhǔn)后這三點(diǎn)的偏差為0。

圖1 磷酸氫二鈉和磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同溫度下的pH值

鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液在15～25 ℃內(nèi)pH標(biāo)準(zhǔn)值為4.00，每隔1 ℃直接用pH計(jì)測試pH值，結(jié)果見圖2。由圖2可見，在15～25 ℃內(nèi)直接測量pH值的極差為0.06；15 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為-0.26，20 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為-0.22，25 ℃與標(biāo)準(zhǔn)pH值的差為-0.20。單點(diǎn)校準(zhǔn)后15 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為0.01，20 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH值的差為0.05，25 ℃與標(biāo)準(zhǔn)pH值的差為0.05。兩點(diǎn)校準(zhǔn)后15 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為0，20 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為0，25 ℃與標(biāo)準(zhǔn)pH值的差為0.01。

圖2 鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同溫度下的pH值

硼砂標(biāo)準(zhǔn)溶液在15～25 ℃范圍內(nèi)pH標(biāo)準(zhǔn)值為9.18～9.28，每隔1 ℃直接用pH 計(jì)測試pH 值，結(jié)果見圖3。由圖3可見，在15 ℃～25 ℃內(nèi)直接測量pH值的極差為0.08；15 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH值的差為-0.28，20 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為-0.27，25 ℃與標(biāo)準(zhǔn)pH值的差為-0.26。兩點(diǎn)校準(zhǔn)后15 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為0，20 ℃時與標(biāo)準(zhǔn)pH 值的差為0.03，25 ℃與標(biāo)準(zhǔn)pH值的差為0.02。

圖3 硼砂標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同溫度下的pH值

JJG 119—2018 中，0.01 級儀器pH 示值誤差為±0.03。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：單點(diǎn)校準(zhǔn)后儀器的示值誤差超出限值，兩點(diǎn)校準(zhǔn)儀器的示值誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。故兩點(diǎn)校準(zhǔn)較單點(diǎn)校準(zhǔn)可獲得更準(zhǔn)確的測試結(jié)果。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，電極標(biāo)定完成后斜率應(yīng)在95%以上,使用時間較長的電極標(biāo)定后斜率至少也應(yīng)在85%以上，若斜率小于85%時須更換電極[9]。

3 電極正確使用與維護(hù)保養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)室pH (酸度)計(jì)在電極管理、使用和維護(hù)保養(yǎng)過程中常會存在一些問題，導(dǎo)致其出現(xiàn)電信號不穩(wěn)定，從而造成分析數(shù)據(jù)誤差大以及維護(hù)成本增加，大幅縮短了電極正常使用時間。定期對pH 計(jì)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)[10]，可及時發(fā)現(xiàn)pH 計(jì)的故障，大幅降低測試出錯率。

3.1 電極活化

pH計(jì)電極的球泡是一種特殊的玻璃膜，在其表面有很薄的水合凝膠層，它只有在充分濕潤的條件下才能與溶液中的H+有良好的響應(yīng)，故在新電極使用前應(yīng)活化[11-12]?；罨椒ǎ簩㈦姌O在0.1 mol/L 的HCl溶液或純水中浸泡8～24 h，之后再放入3 mol/L的KCl 溶液中浸泡4 h 以上。電極不使用時電極頭應(yīng)充分浸泡3 mol/L飽和KCl溶液中，不能在中性或者堿性的緩沖溶液中浸泡，切忌用洗滌液或其他吸水性試劑浸洗或浸泡電極頭。電極保護(hù)液要及時更換，建議一星期更換一次。

3.2 電極清洗

把電極從裝有目標(biāo)溶液的燒杯內(nèi)拿出，用蒸餾水洗凈電極并吸干水分，放在裝有蒸餾水的燒杯內(nèi)，等待3 min 左右，使目標(biāo)溶液的殘留部分溶解。把電極從裝蒸餾水的燒杯內(nèi)拿出，并用濾紙把電極上殘留的蒸餾水吸干。清洗電極后，不要用無塵紙擦拭玻璃膜，而應(yīng)用無塵紙吸干，避免損壞玻璃薄膜、防止交叉污染，影響測量精度。清洗方式是關(guān)鍵，如玻璃薄膜產(chǎn)生油漬污染，可采用酒精、乙醚、蒸餾水分別清洗，一定要注意清洗順序，首先使用酒精，然后使用乙醚，最后使用蒸餾水[13-14]。

3.3 電極使用注意事項(xiàng)

為了延長電極的使用壽命，測量濃度較大的溶液時，盡量縮短測量時間，用后立即仔細(xì)清洗，防止被測液粘附在電極上而污染電極。電極不能用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或其他腐蝕性溶液[15]。嚴(yán)禁在脫水性介質(zhì)如無水乙醇、重鉻酸鉀等中使用。

4 結(jié)語

在使用前、使用中、使用后做好pH 計(jì)的管理和維護(hù)保養(yǎng)，不僅可以延長pH 計(jì)的使用壽命，而且也可減少測試誤差，提高測試精度；同時選擇合適校準(zhǔn)方法，大大提高測試效率。做好pH計(jì)日常使用的質(zhì)量控制，確?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)和檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性。