论文总字数：27306字

摘 要

pH值是指溶液中氢离子浓度的负对数，是用来衡量溶液酸碱性的指标。溶液中物质的的性质，如蛋白质的结构和活性等，与溶液的pH息息相关。pH的测量与当代工农业、生物工程、环境科学等研究领域关系密切，在工业废水中的需求尤为显著。现有的pH检测方式大多还是采用取样的方式，不能实时反应溶液酸碱性的变化，不能在第一时间控制污染造成的损害。现发展了一种基于光电探测的阈值可调的pH值检测方式，可对样品的pH值进行大规模、快速地筛查。但是进一步的研究发现，样品溶液的离子强度，对检测结果有一定的影响。本文通过实验进一步探究了离子强度对光电检测pH值的影响，具体实验方案为采用不同价态酸碱溶液进行反应，得到一系列pH值的样品溶液，然后测量出不同pH值样品溶液对酸碱指示剂溶液的pH值响应以及对于掩埋在聚合物中的酸碱指示剂的pH值响应。通过对实验结果的分析,我们发现强酸组样品溶液中，以甲基红为酸碱指示剂时，离子强度越强，样品溶液的吸收强度越小，而以甲基红钠盐为指示剂时，离子强度越强，样品溶液的吸收强度越小；由于弱酸组样品溶液中存在着弱酸的解离平衡，使得强酸组与弱酸组的反应结果存在差异；在溶液中进行实验时，甲基红和甲基红钠盐对于溶液吸收峰位变化的影响存在着相反的效果；此外，包埋指示剂的有机物对反应也有着一定的影响，在碱性环境中能释放出更多的指示剂用于反应。

关键词：pH，光电检测，离子强度，酸碱指示剂

Abstract

The pH value is the negative logarithm of the hydrogen ion concentration in solution. It is used to measure the pH of the solution. The properties of substance in solution, such as the structure and activity of protein, are closely related to the pH of solution. The measurement of pH is closely related to the research fields such as engineering agriculture, biological engineering and environmental science, especially in industrial wastewater. However, most of pH sensors working with sampling method, they can’t make respond to the pH changes of industrial wastewater timely and make it difficult to control the damage caused by the pollution at the first time. A new detection method based on the threshold of the photoelectric detection can be developed for the detection of the pH value of the sample for its advantages of large-scale and rapid screening of the pH values. However, according to the related research, the ionic strength of the sample solution has some effect on the detection of the sample. In this paper, we did the experiment to explore the effect of ionic strength on the photoelectric detection of pH value. First of all, we make a series of solutions with different pH value using acids of different valence state, and then we measure the Absorption value of the sample solution. Next, we buried the acid base indicator into the polymer, and measured the Absorption value of the solution after the sample solution flowing through the polymer. Some conclusions were drawn from the results of the experiment. Finally, we made some conclusions after analyzing the result we got in the experiment. We found that the acid groups of sample solution, with Methyl Red as the ph indicator, the stronger the ionic strength is, the smaller the intensity of the absorption of sample solution is. However, with Methyl Red sodium salt as the ph indicator, the stronger the ionic strength is, the bigger the intensity of the absorption of sample solution is; there exists dissociation equilibrium of the weak acid in solution of weak acid samples, so the reaction result of strong acid and weak acid group is different; In the experiment of solution, Methyl Red and Methyl Red sodium salt have different influence on the position changing of absorption peak; In addition, the organism embedding of the indicator has certain effects on reaction, it can release more indicator for the reaction in alkaline environment.

Key Words: pH, photoelectric detection, Ionic Strength, acid-base indicator

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 pH值及其传统检测方法 1

1.1.1 pH值的概念 1

1.1.2 pH值的测定 1

1.2 基于光电检测的阈值可调的pH值检测方法 1

1.2.1 装置构造 1

1.2.2 工作原理 2

1.3 离子强度与活度 2

1.3.1 离子强度 2

1.3.2 活度 3

1.4 化学平衡的建立和移动 3

1.5 弱酸的解离平衡 3

1.5.1 解离平衡常数 3

1.5.2 多元弱酸溶液 4

1.6 酸碱指示剂的显色原理 4

1.7 溶液对光的选择性吸收和吸收曲线 5

1.8 本论文主要工作 6

第二章 实验部分 7

2.1 引言 7

2.2 方案设计 7

2.2.1溶液中的实验 7

2.2.2 基片上的实验 7

2.3 实验仪器与试剂 7

2.3.1 仪器 7

2.3.2 试剂 8

2.4 实验步骤 8

2.4.1 溶液中的实验 8

2.4.2 基片上的实验 10

2.5 实验分析 12

2.5.1 样品溶液的选择 12

2.5.2 酸碱指示剂的选择 12

2.5.2 基片通道制备方法的选择 12

2.6 实验结果 14

2.6.1 溶液中的实验 14

2.6.2 基片上实验 15

2.7 本章小结 16

第三章 实验结论与分析 17

3.1 结果分析 17

3.1.1 溶液中的实验 17

3.1.2 基片上的实验 22

3.2 实验结论 23

致谢 25

参考文献 26

绪论

1.1 pH值及其传统检测方法

1.1.1 pH值的概念

pH值是指溶液中氢离子浓度的指数：，它是表示溶液酸性或碱性程度的数值，即所含氢离子浓度的常用对数的负值。由于氢离子活度的数值往往很小，在应用上很不方便，所以就用pH值这一概念来作为水溶液酸性、碱性的判断指标。而且，氢离子活度的负对数值能够表示出酸性、碱性的变化幅度的数量级的大小，这样应用起来就十分方便。

1.1.2 pH值的测定

pH反映了水溶液中氢离子的浓度，决定了很多分子的化学活性和功能，所以pH值的测定十分重要。传统测定溶液pH的检测方法主要有以下三种：第一种是使用酸碱指示剂。具体为将酸碱指示剂加入待测溶液中，使两者反应，不同的指示剂根据溶液不同的pH值会有相应的颜色变化，根据指示剂的颜色就可以确定pH的范围。在滴定实验时，可以作精确的pH标准。但该方法不能准确确定pH值。第二种方法是使用pH试纸。pH试纸有广泛试纸和精密试纸之分。使用时用玻璃棒蘸一点待测溶液到试纸上，然后根据试纸的颜色变化对照标准比色卡可以得到溶液的pH。但pH试纸不能够显示出油份的pH值，因为pH试纸以氢离子来量度待测溶液的pH值，但油中没含有氢离子，因此pH试纸不能够显示出油份的pH值。此外，同第一种使用酸碱指示剂方法测量溶液pH值类似，pH试纸只能用来检测溶液的酸碱度范围，并不能准确确定其pH值。第三种方法是使用pH计。pH计是一种测定溶液pH值的仪器，它采用电位分析法的原理，通过pH选择电极（如玻璃电极）来测定出溶液的氢离子浓度。pH计可以精确到小数点后两位。但pH仪需要与每个溶液样品直接接触进行测量，每次测量后需对pH仪探头进行清洗后才能进行下一个样品的测量，该方法操作繁琐，且耗时较长。

1.2 基于光电检测的阈值可调的pH值检测方法

pH的测定在物理化学以及生物等领域的重要作用，传统的pH检测方法或是不能准确确定pH值的大小，或是操作繁琐耗时较长，所以基于光电检测是pH值检测方法应运而生。该方法基于光电检测原理，可以大规模快速精确的测定溶液的pH值，并在pH值超出预定范围时发出警报，以避免大规模的损害发生。

1.2.1 装置构造

该检测装置包括可供待测液体流过的管道，固定于管道中的检测芯片，对应设置于管道侧部的光源和光电探测器，以及与光电探测器电连接的报警电路；所述检测芯片包括形成三维结构的聚合物及镶嵌于聚合物中的酸碱指示剂分子。该检测方法让待测液体通过设有检测芯片的管道，可以对液体进行实时、在线检测，第一时间发现pH 偏离正常值，最大程度控制污染造成的损害。另外，通过酸碱指示剂的选取，可以在较大pH 范围内检测待测液体^[1]。

图1-1 光电检测系统原理图

1.2.2 工作原理

不同pH 值的液体流过检测芯片时，与固定在管道内的酸碱指示剂接触，发生显色反应。对于某一特定的指示剂，其透射光谱随pH 值改变而改变。选定随着不同pH 值透过率有显著变化的波长作为照射光源的波长。光电探测器接收透过光强，并进行光电转换，接入报警电路。因此，pH 的改变将引起透过光强的实时改变，进而引起电信号强度的变化，报警器对达到报警阈值的溶液pH 值进行报警，从而此装置可对流经的液体的pH值进行实时、在线的检测和报警^[2]。

离子强度与活度

上述基于光电检测的pH值检测系统在测试时发现，离子强度的大小对于其检测结果有一定的影响。

1.3.1 离子强度

在水溶液和熔融状态下能导电的物质称为电解质。电解质一般可以分为强电解质和弱电解质两类。过去人们曾认为强电解质在水溶液中应全部解离为相应的正、负离子，但后来的科学实验表明，很多强电解质即使在稀溶液中也并不是全部以离子状态存在。这是因为在强电解质溶液中，离子浓度很大，离子间静电引力作用使得每一个离子的周围吸引一定数量的带相反电荷的离子，形成了某一离子被相反电荷离子包围着的“离子氛”，而且离子浓度越大，离子与它的离子氛的作用越强^[3]。离子在受到带有异种电荷的离子静电引力的同时，还要受到带有同号电荷的离子的相斥作用。离子间存在的相互作用，使得离子之间相互牵制，不能完全自由运动。路易斯于1921年提出了离子强度的概念，来衡量溶液中离子之间相互牵制作用的强弱，其定义为

（1）

其中，式中为离子强度；表示溶液中第种离子的质量摩尔浓度；表示溶液中第种离子的电荷数。

由公式（1）可以得知，离子强度的大小仅与溶液中各离子的浓度以及电荷数有关，而与离子种类无关。离子浓度越大，电荷数越高，则溶液的离子强度越大，离子间的相互牵制作用就越强^[4]。

1.3.2 活度

在电解质溶液中，由于离子之间的相互作用以及离子氛的存在，使得电解质溶液的一些与浓度有关的性质（如导电性、溶液的依次性等）受到影响。为了定量描述强电解质溶液中离子的相互作用，引入离子的活度和活度系数的概念。

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