实验室pH计校准与日常维护保养

时间：2024-05-22

卢俊平，何春泽，霍贞，王洁

（军事医学研究院科研保障中心，北京 100850）

作为实验室常见的电化学分析仪器之一，pH(酸度)计主要由电计和测量电极两部分组成，常用来测量水溶液的pH 值[1]，广泛应用于化学化工、科研开发、质量检验、环保监测、食品安全、医院检验等方面。其测量原理为先用pH 标准缓冲溶液的电动势校准pH计的电极，然后用电极测量溶液的电池电动势，根据溶液能特斯方程计算出目标溶液的pH值[2-4]，如式（1）所示：

式中：pHX、pHS——目标溶液、标准缓冲溶液的pH值；

ES、Ex——标准缓冲溶液、样品溶液的电动势；

R——气体常数，J/(mol·K)；

F——法拉第常数，C/mol；

T——热力学温度，K；

k——能特斯方程的理论斜率。

pH 计直接测量的是溶液的电动势而非pH 值，而温度是影响pH值的关键因素。

1 实验室pH(酸度)计校准方法

在日常使用时，为确保pH 计测量结果的准确性，需用pH 标准溶液定期对其进行校准。JJG 119—2018《实验室pH (酸度)计检定规程》推荐了10 种一级pH 标准溶液[4]，实验室常用邻苯二甲酸氢钾(KHC8H4O4)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)和磷酸二氢钾(KH2PO4)、硼砂(Na2B4O7·10H2O)这4种pH标准物质作为pH计校准用标准物质。根据使用频率、保养周期、样品性质以及测量精度，确定pH计的校准频率，至少每周校准一次测试电极。若每天均使用pH计，则建议每天校准一次测试电极。若更换电极或电极长久未使用，则在使用前应先校准电极。常见的校准方法有单点校准、两点校准、三点校准[5-6]。

1.1 单点校准

pH 计直接测量的是溶液的电动势而非pH 值，将溶液能特斯方程进行变换，得到式（2）：

单点校准时温度确定（如25 ℃），则k=为常数，只需求出(ES+k×pHS)的值，即完成单点校准。单点校准使用的前提是被测溶液的温度和校准溶液的温度一致；若不一致时，k值则会发生变化。实际测量pH值大多不是标准环境条件，若继续用单点校准，将会导致测量结果的pH值偏大。故单点校准适用于测量精度在0.1级以下pH计的校准，一般选用pH 值为6.86 或pH 值为4.01 标准缓冲液进行“定位”校准。

1.2 两点校准

进行两点校准时，设所获得第一个样品的pH值为pH1，对应电压E1；第二个样品的pH 值为pH2，对应电压E2。分别代入式（2），联解得到式（3）：

然后代入能特斯方程中得到(ES+k×pHS)的值，即完成两点校准。由式（3）可知温度对k值影响在两点校准后已相互抵消。换言之这种情况允许pH计存在误差，这种系统误差传递给后续测量的过程中可相互抵消，不影响pH计。故两点校准适用于精密级pH 计的校准。一般先以pH 值为6.86 进行“定位”校准；然后根据目标溶液的酸碱情况，选用pH值为4.01(酸性)或pH值为9.18(碱性)的缓冲溶液进行“斜率”校准。实际测试中，采用两点校准就可满足仪器使用要求。注意选择标准液时，应使目标溶液的pH值落在校正的pH范围内。

1.3 三点校准

两点校准是通过两个点来获得直线的零点和斜率，当有一个点发生偏差时，会导致零点和斜率的偏差；为了获得更精确的零点和斜率，采用第三个点通过最小二乘法获得拟合直线的零点和斜率［6］。设所获得第一个样品的pH 值为pH1，对应电压E1；第二个样品的pH 值为pH2，对应电压E2；第三个样品的pH值为pH3，对应电压E3。则三点电压平均值为Eˉ=，三点pH平均值为

一般pHS为等电位pH值（常取pH值为7），校准也就是确定等电位下的电压值。将式（2）转换为电压与pH值的直线关系式，如式（4）所示：

由最小二乘法计算原理知，误差方程为式（5），然后取平方并加合得到式（6）：

故有：

由式（9）、（10）可知，校准直线的零点和斜率与温度无关，并且还将零点和斜率的偏差确定到最小，大幅提高了仪器测量的准确度。所以当测量pH 值范围较大且要求更高的精确度时应采用三点校准。一般先对pH值7或6.86进行基准点“定位”，然后先校酸后校碱。另外五点校准也日常使用中应用，同三点校准原理相同，只是增加校准点，对仪器的精确度有一定的提升，但是降低了仪器的测试速度；故一般三点校准即可。当未知溶液的酸碱性时，通过pH值为7、4、10 三点校准即可获得比两点校准更为准确地测试，省去了通过不断校准来获得准确值的麻烦；确定溶液的酸碱性后可在溶液所在酸性或碱性范围内校准三点，获得更准确的测试值。

2 实验过程

2.1 主要仪器与试剂

实验室pH(酸度)计：PB-10 型，pH 测量范围为0～14.00，德国赛多利斯集团。

电子天平：MSA6.6S-CE 型，测量范围为0.1 mg～6.1 g，感量为0.001 mg，德国赛多利斯集团。

精密恒温水槽：LSYB-1 型，测量范围为5～60 ℃，国防科技工业应用化学一级计量站。

单标线容量瓶：250 mL，A 级，天玻玻璃仪器有限公司。

邻苯二甲酸氢pH 溶液标准物质：编号为GBW(E) 130194，25 ℃时pH 值为4.00，扩展不确定度U=0.01（k=3），国防科技工业应用化学一级计量站。

磷酸二氢钾pH 标准物质：编号为GBW (E)130195，25 ℃时pH值为6.86，扩展不确定度U=0.01（k=3），国防科技工业应用化学一级计量站。

磷酸氢二钠pH 标准物质：编号为GBW (E)130195，25 ℃时pH值为6.86，扩展不确定度U=0.01（k=3），国防科技工业应用化学一级计量站。

硼砂pH 标准物质：编号为GBW (E)130196，25 ℃时pH 值为9.18，扩展不确定度U=0.01（k=3），国防科技工业应用化学一级计量站。

2.2 实验方案与结果

由能斯特方程可知，温度是影响测量的重要因素[7]。不同的温度下，pH 标准溶液的pH 值是不同。根据pH 标准认定证书[8]，不同pH 标准溶液在不同温度下的pH 值见表1，分析可知硼砂标准溶液（碱性）的pH 值比邻苯二甲酸氢钾标准溶液（酸性）的pH值更易受温度变化的影响，故在校准前须特别注意目标溶液的温度，检查标准溶液温度与目标溶液温度是否接近，若不接近，应用恒温水槽控温。

表1 pH标准溶液在不同温度下的pH值

Sartorius PB-10 的pH 计（带有自动温度补偿器）实际使用环境条件要求是：环境温度为10～30 ℃，相对湿度小于85%。研究其在15～25 ℃内不同温度对pH 值测量结果的影响。具体实验方案为：（1）在不同温度下先用磷酸氢二钠和磷酸二氢钾标准溶液单点校准，后用邻苯二甲酸氢钾标准溶液进行测试验证；（2）在不同温度下先用磷酸氢二钠和磷酸二氢钾标准溶液、邻苯二甲酸氢钾标准溶液进行两点校准，然后用硼砂标准溶液进行测试验证；实验过程中用精密恒温水槽调节标准溶液所需温度。

磷酸氢二钠和磷酸二氢钾标准溶液在15～25 ℃内pH 标准值为6.86～6.90，每隔1 ℃直接用pH 计测试pH 值，结果见图1。由图1 可见，在15～25 ℃内直接测量pH 值的极差为0.02；15 ℃时与标准pH 值的差为-0.27，20 ℃时与标准pH 值的差为-0.27，25 ℃与标准pH值的差为-0.25。校准后这三点的偏差为0。

图1 磷酸氢二钠和磷酸二氢钾标准溶液在不同温度下的pH值

邻苯二甲酸氢钾标准溶液在15～25 ℃内pH标准值为4.00，每隔1 ℃直接用pH计测试pH值，结果见图2。由图2可见，在15～25 ℃内直接测量pH值的极差为0.06；15 ℃时与标准pH 值的差为-0.26，20 ℃时与标准pH 值的差为-0.22，25 ℃与标准pH值的差为-0.20。单点校准后15 ℃时与标准pH 值的差为0.01，20 ℃时与标准pH值的差为0.05，25 ℃与标准pH值的差为0.05。两点校准后15 ℃时与标准pH 值的差为0，20 ℃时与标准pH 值的差为0，25 ℃与标准pH值的差为0.01。

图2 邻苯二甲酸氢钾标准溶液在不同温度下的pH值

硼砂标准溶液在15～25 ℃范围内pH标准值为9.18～9.28，每隔1 ℃直接用pH 计测试pH 值，结果见图3。由图3可见，在15 ℃～25 ℃内直接测量pH值的极差为0.08；15 ℃时与标准pH值的差为-0.28，20 ℃时与标准pH 值的差为-0.27，25 ℃与标准pH值的差为-0.26。两点校准后15 ℃时与标准pH 值的差为0，20 ℃时与标准pH 值的差为0.03，25 ℃与标准pH值的差为0.02。

图3 硼砂标准溶液在不同温度下的pH值

JJG 119—2018 中，0.01 级仪器pH 示值误差为±0.03。实验结果表明：单点校准后仪器的示值误差超出限值，两点校准仪器的示值误差在规定范围内。故两点校准较单点校准可获得更准确的测试结果。根据使用经验，电极标定完成后斜率应在95%以上,使用时间较长的电极标定后斜率至少也应在85%以上，若斜率小于85%时须更换电极[9]。

3 电极正确使用与维护保养

实验室pH (酸度)计在电极管理、使用和维护保养过程中常会存在一些问题，导致其出现电信号不稳定，从而造成分析数据误差大以及维护成本增加，大幅缩短了电极正常使用时间。定期对pH 计进行维护和保养[10]，可及时发现pH 计的故障，大幅降低测试出错率。

3.1 电极活化

pH计电极的球泡是一种特殊的玻璃膜，在其表面有很薄的水合凝胶层，它只有在充分湿润的条件下才能与溶液中的H+有良好的响应，故在新电极使用前应活化[11-12]。活化方法：将电极在0.1 mol/L 的HCl溶液或纯水中浸泡8～24 h，之后再放入3 mol/L的KCl 溶液中浸泡4 h 以上。电极不使用时电极头应充分浸泡3 mol/L饱和KCl溶液中，不能在中性或者碱性的缓冲溶液中浸泡，切忌用洗涤液或其他吸水性试剂浸洗或浸泡电极头。电极保护液要及时更换，建议一星期更换一次。

3.2 电极清洗

把电极从装有目标溶液的烧杯内拿出，用蒸馏水洗净电极并吸干水分，放在装有蒸馏水的烧杯内，等待3 min 左右，使目标溶液的残留部分溶解。把电极从装蒸馏水的烧杯内拿出，并用滤纸把电极上残留的蒸馏水吸干。清洗电极后，不要用无尘纸擦拭玻璃膜，而应用无尘纸吸干，避免损坏玻璃薄膜、防止交叉污染，影响测量精度。清洗方式是关键，如玻璃薄膜产生油渍污染，可采用酒精、乙醚、蒸馏水分别清洗，一定要注意清洗顺序，首先使用酒精，然后使用乙醚，最后使用蒸馏水[13-14]。