Metrohm(메트롬) pH 측정 원리와 pH meter 원리 - Part 3 -

 

pH 측정 원리와 pH meter 원리 - Part 3 -

해당 글은 Naver Blog : pH 3st 에서도 확인할 수 있습니다.

이전 포스팅까지는 조성이 매우 간단한 용액 중에서 pH을 측정, 실제로는 계산하는 법에 대해서 설명했습니다. 하지만 실제로 실험 중에 사용되는 대부분의 용액이나 수용성 시료들은 조성이 매우 복잡해서, pH을 계산한다는 것은 매우 어려운 일입니다. 이러한 이유로 일반적으로 용액의 pH는 pH meter라는 장비를 이용하여 측정하게 됩니다.

앞으로 설명하려는 pH meter는 두 전극 사이의 전위차를 이용하여 pH을 측정하는 장비이므로, 이 부분에 대해서 설명하도록 하겠습니다.

4. Electrode construction

pH을 측정하는 가장 기본적인 전극은 이전의 포스팅에서 언급한 적이 있는 덴마크의 화학자인 Sorensen이 pH을 정의할 때 사용한 수소 전극입니다. 하지만 수소 전극은 수소 기체을 사용하여야 하므로, 수소 기체 발생 장치가 필요하고, 인화 또는 폭발의 위험성이 있어서 일상적으로 측정하기에는 매우 불편한 전극입니다. 또 시료 용액 중에 산화성이나 환원성 물질이 있으면, 수소전극의 표면에 여러가지 산화, 환원 반응이 일어나 전위가 변화는 단점이 있습니다. 수소 이온에 반응을 하며, 수소 전극의 단점을 보완한 전극이 유리막 전극, 즉 유리 전극이며, 본 포스팅에서는 유리 전극을 기준하여 설명하도록 하겠습니다.

전위차 측정(Potentiometry)에 사용되는 장비는 항상 2개의 전극으로 구성되어야 합니다. 측정을 위한 전극, 일반적으로 지시전극(Indicator electrode)이라 불리는 전극과 지시전극의 기준이 될 수 있는 기준전극(Reference electrode)으로 구성되어 있으며, 두 전극은 모두 반쪽전지(Half cell) 입니다. 기준전극은 전극전위가 항상 일정한 값을 유지하여 지시전극의 전극전위를 측정하는데 대조전극으로 이용되며, 지시전극은 측정하고자 하는 물질의 활동도(pH에서는 수소이온)에 따라 전극전위가 결정되는 전극입니다.

4.1 pH-measuring chain

아래의 그림은 pH electrode을 나타낸 그림입니다. 좌측의 전극은 지시전극으로 glass electrode이며, 우측의 전극은 기준전극으로 silver/silver chloride(Ag/AgCl) electrode 입니다.

pH electrode 도식

a_M : 시료 용액 중의 측정 이온의 활동도

U₁ : glass membrane과 시료용액 사이의 갈바니 전위(Galvani potential)

U₂ : 내부전해액과 glass membrane 사이의 갈바니 전위

U₃ : 내부전해액과 내부표준전극 사이의 갈바니 전위

U₄ : 기준전극의 갈바니 전위

U₅ : Diaphragm 전위(diffusion potential, 확산전위)

위의 그림에서와 같이 적절한 형태의 pH 전극인 경우, U₂, U₃, U₄의 전위는 항상 일정한 값을 유지할 수 있습니다. 그리고 적당한 표준전해액을 Diaphragm을 통하여, 일정한 속도로 흘러보내면, U₅ 전위 또한 항상 일정한 값을 유지할 수 있습니다. 고로 용액 중의 전위의 측정값은 glass membrane과 용액 사이의 전위 즉 U₁에 의해서만 변화할 수 있습니다. 이 부분의 설명은 다음 포스팅에서 실제 전극의 예를 들어 자세히 설명하도록 하겠습니다. 최근에는 위의 그림과 같이 지시전극과 기준전극이 분리된 형태가 아니라 하나로 합쳐진 전극이 주로 사용되며, 이를 복합전극(Combined electrode)이라 부릅니다.

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