Гальванические преобразователи. 
Изготовление биотехнических и медицинских аппаратов и систем

Гальванические преобразователи основаны 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, а также в качестве образцовых мер ЭДС — нормальных элементов.

Наиболее широкое применение гальванические преобразователи получили в качестве преобразователей рН-метров — приборов для измерения активности (концентрации) водородных ионов.

Молекулы воды частично диссоциируют на ионы водорода и ионы гидроксила ОН^-, чем обусловлена вполне определённая, хотя и очень малая электропроводность воды. Диссоциация воды происходит по схеме.

При этом остаётся постоянной так называемая константа диссоциации, равная.

где а_н+, а_он_, и а_Нг0 — соответственно активности ионов Н⁺, ОН~ и воды.

В разбавленных растворах активность воды а_Н20 можно считать постоянной, тогда произведение К ? а_Нг0 становится новой постоянной, которую называют ионным произведением воды: К ? а_Нг0 = а_н+ а_он_. Установлено, что при 22 °C ионное произведение воды К-а_Н20 =10^-14 (г-ион/л)².

В чистой воде или в нейтральном растворе активности Н+ и ОН~ равны.

Ионное произведение воды К-а_Н20 -a_H+a_QH_ — при данной температуре остаётся постоянной величиной не только для воды, но и для любого водного раствора, включая растворы кислот с избытком ионов Н⁺ или оснований с избытком ионов ОН-.

Если в воде растворить кислоту, то ионов Н⁺ станет больше, а ионов ОН^- — меньше (за счёт воссоединения части образовавшихся ионов Н⁺ с ионами ОН-), но произведение а_н+ -а_он_ останется равным ионному произведению воды. У кислых растворов а_н+ > а_он_, а у щелочных растворов а_он_ > а_н+.

Таким образом, для характеристики раствора достаточно знать активность водородных ионов, которую для удобства записи и вычислений численно характеризуют отрицательным логарифмом активности ионов водорода — водородным показателем pH:

Приборы для измерения этого показателя получили название рН-метров.

Диапазон изменения pH водных растворов обычно составляет О—14 ед. В растворах других растворителей (неводных) диапазоны изменения pH другие, например в аммиаке 0—32,7 ед., в муравьиной кислоте — 0—6,1 ед. и т. д.

Наиболее точный и универсальный метод измерения pH основан на определении электродных потенциалов различных электродов, помещаемых в исследуемый раствор. Следовательно, гальванические преобразователи, являющиеся датчиками pH-метров, в качестве естественнои входной величины имеют концентрацию водородных ионов, выражаемую в единицах pH, а в качестве выходной величины — разность электродных потенциалов.

Гальванический преобразователь состоит из двух полуэлементов: измерительного электрода, помещаемого в исследуемый раствор, и вспомогательного полуэлемента, электродный потенциал которого должен оставаться постоянным.

На рисунке 10.3 показан гальванический преобразователь, состоящий из двух водородных полуэлементов. Один из водородных электродов (измерительный) помещается в исследуемый раствор 1, который при помощи электролитического ключа 2 соединяется с нормальным водородным полуэлементом (вспомогательным) 3, содержащим электролит с активностью водородных ионов а_(н+)₂ =1 г-ион/л. ЭДС между электродами полученной концентрационной цепи равна.

где а_(н+)1 — активность водородных ионов в исследуемом растворе; а_(н+) — активность водородных ионов в нормальном водородном полуэлементе.

Рис. 10.3. Гальванический преобразователь, состоящий из двух водородных полуэлементов.

Переходя к десятичным логарифмам и учитывая, что lga_(H+:)i =-рН, получаем.

для температуры 18 °С:

При использовании водородного электрода в рабочем (измерительном) полуэлементе им можно измерять pH во всём диапазоне измерения (от 0 до 14). Однако вследствие неудобства применения, связанного с необходимостью непрерывно подавать к электроду газообразный водород, водородный электрод используется главным образом как образцовый электрод для лабораторных исследований.

Вспомогательные полуэлементы. В гальванических преобразователях используются каломельный, хлорсеребряный, бромсеребряный и другие вспомогательные полуэлементы.

Каломельный полуэлемент. Потенциал Е₀ нормального каломельного полу элемента относительно потенциала нормального водородного полуэлемента при температурах 15, 18, 20, 25 и 30 °C соответственно составляет 0,2852; 0,2845; 0,2840; 0,2828 и 0,2816 В.

Гальванический преобразователь, состоящий из водородного электрода, помещённого в исследуемый раствор, и нормального каломельного полуэлемента, будет при 18 °C развивать ЭДС.

Недостатками каломельных полуэлементов являются возможность попадания ртути в контролируемый раствор и ограниченный сверху до +70 °С диапазон рабочих температур.

Хлорсеребряный полуэлемент представляет собой платиновую проволоку, покрытую слоем хлористого серебра и погруженную в раствор НС1. Нормальный потенциал хлорсеребряного полуэлемента равен 0,222 В при 25 °C. Достоинствами такого полуэлемента является простота и компактность конструкции, хорошая воспроизводимость потенциала электрода, возможность применения при температурах до 150…250 °С, а также в условиях тряски и вибраций.