Дисперсные системы и промывочные жидкости - КОНЦЕНТРАЦИЯ ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ рН

КОНЦЕНТРАЦИЯ ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ рН

 

Наличие в промывочной жидкости водородных ионов связа­но с процессом диссоциации воды, являющейся слабодиссоциирующим веществом: в 1 л при 22 °С диссоциирует 110-7 мо­ля с образованием 1•10-7 моля водорода Н+ и 1•10-7 моля гид-роксидной группы ОН. Концентрацию диссоциированных моле­кул Н2О в воде и разбавленных водных растворах можно считать величиной постоянной. Произведе­ние концентраций водородных и гидроксидных ионов, так называе­мое ионное произведение воды, так­же постоянно. Численное значение его при 22 °С равно 1•10-14.

Если в водных растворах кон­центрация водорода и гидроксидной группы одинакова (каждая равна 110-7 моль/л), такие растворы яв­ляются нейтральными. В кислых растворах концентрация водород­ных ионов превышает 1 • 10-7 моль/л, в щелочных растворах концентра­ция ионов гидроксидной группы больше концентрации водорода.

Кислотность и щелочность рас­твора можно выражать либо через концентрацию ионов Н+, либо через концентрацию ионов ОН-. На прак­тике для этого обычно пользуют­ся концентрацией Н+.

Чтобы избежать неудобств, свя­занных с    применением    степенных отрицательных чисел, концентрацию водородных ионов принято выражать ее логарифмом с обратным знаком и называть водо­родным показателем рН= - lg[H+].

В нейтральных растворах рН =7, в кислых рН<7 и умень­шается с ростом кислотности. В щелочных растворах рН>7 и повышается с увеличением щелочности. Концентрация водород­ных ионов рН — важный показатель, определяющий характер физико-химических процессов в промывочной жидкости и необ­ходимость обработки ее реагентами. В каждой дисперсной си­стеме при определенных значениях концентрации водородных ионов наступает максимум и минимум стабильности.

Для различных промывочных жидкостей существует своя оптимальная концентрация водородных ионов, при которой они наиболее полно удовлетворяют требованиям технологии буре­ния в конкретных геолого-технических условиях. Контроль за величиной рН позволяет определить причины изменения свойств промывочной жидкости в процессе бурения и принять меры по восстановлению ее качества. Концентрацию водородных ионов промывочных жидкостей измеряют колориметрическим и элект­рометрическим способами.

Колориметрический способ основан на применении индика­торов. При этом способе используют наборы индикаторов и бу­ферных растворов различных реактивов с определенными зна­чениями рН. Фильтрат, полученный при измерении водоотдачи, наливают в пробирку, добавляют в нее раствор индикатора и сравнивают цвет жидкости в этой пробирке с цветом эталон­ных буферных растворов с индикаторами или с эталонной цвет­ной шкалой, на которой указаны значения рН, соответствующие той или иной окраске.

Более удобен колориметрический способ измерения рН с использованием набора индикаторной бумаги и эталонных цвет­ных шкал. При измерении полоску индикаторной бумаги осто­рожно укладывают на поверхность промывочной жидкости. Когда полоска пропитывается жидкостью и цвет ее перестанет изменяться, прикладывают ее к эталонной шкале и по шкале определяют величину рН, соответствующую данной интенсив­ности окраски. Если подобрать подходящий цвет по шкале не удается, это значит, что сорт бумаги был выбран неправильно, опыт нужно повторить, взяв соответствующую бумагу, Колори­метрический метод имеет невысокую точность (+0,5 рН) и ча­ще применяется в полевых условиях.

 Электрометрический способ используется для более точного определения рН в лабораториях на специальных приборах рН-метрах, например рН-262. Здесь для измерения величины рН используется система со стеклянным электродом, электро­движущая сила которой зависит от активности ионов водорода в растворе.

Схема  прибора для  измерения рН приведена  на  рис. 29. Стеклянный электрод 2 представляет собой трубку с полым шариком 1 из специального стекла на конце. При погружении электрода в раствор между поверхностью шарика электрода и раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода и стеклянный электрод приобретает свойства водород­ного электрода.

Между поверхностью стекла и контролируемым раствором возникает разность потенциалов, величина которой определяет­ся активностью ионов водорода в растворе. Для создания элект­рической цепи при измерении применяются контактные элект­роды: внутренний контактный электрод 3, осуществляющий электрический контакт с раствором, который заполняет внут­реннюю полость стеклянного электрода, и внешний контактный электрод (вспомогательный электрод) 4, осуществляющий электрический контакт с контролируемым раствором.

С целью защиты от воздействия высоких температур (при измерении рН растворов, температура которых выше температу­ры окружающего воздуха) вспомогательный электрод помеща­ют вне контролируемого раствора и соединяют его с последним при помощи электролитической трубки 5 (ключа), наполненной раствором хлористого калия и заканчивающейся пористой пе­регородкой 6.

Раствор хлористого калия непрерывно просачивается через пористую перегородку, предотвращая проникновение из контро­лируемого раствора в систему электрода 4 посторонних ионов, которые могли бы изменить величину эдс электрода.

Для измерения эдс электродной системы применяется ком­пенсационная схема, позволяющая существенно уменьшить потребляемый ток электродной системы при измерении. Электро­движущая сила Е электродной системы сравнивается с падени­ем напряжения на сопротивлении, через которое протекает ток конечного каскада усилителя рН-метра. Этот ток пропорциона­лен эдс электродной системы, а следовательно, и величине рН контролируемого раствора.

Прибор позволяет выполнить измерения рН с точностью до 0,01 единицы.