Стеклянный электрод относится к классу ионоселективных электродов и является одним из наиболее распространённых индикаторных электродов в электрохимии. Его основное назначение связано с измерением активности ионов водорода, что сделало данный электрод основным инструментом для определения кислотности растворов. Несмотря на то, что в основе его работы лежит тот же принцип потенциалобразования на границе раздела фаз, что и у других мембранных электродов, стеклянный электрод выделяется уникальной структурой и высоким уровнем точности.
Основной элемент электрода — тонкостенная стеклянная мембрана, отделяющая внутренний раствор от внешней исследуемой среды. Мембрана изготавливается из специального боросиликатного или алюмосиликатного стекла с определёнными ионными свойствами. Внутри электрода находится стандартный раствор хлорида калия, в который погружён внутренний электрод сравнения, чаще всего хлорсеребряный. Внешняя поверхность стеклянной мембраны контактирует с исследуемым раствором, и именно здесь формируется измеряемый потенциал.
Стеклянная мембрана обладает ионной проводимостью благодаря обмену ионов натрия или лития, присутствующих в её структуре, на протоны из раствора. Толщина мембраны варьируется от 0,05 до 0,2 мм, что обеспечивает достаточную прочность при высокой чувствительности к активности ионов водорода.
Работа стеклянного электрода основана на возникновении потенциала на границе между гидратированным слоем стеклянной мембраны и раствором. Внутренний потенциал создаётся постоянной концентрацией ионов водорода во внутреннем буферном растворе, а внешний потенциал зависит от концентрации ионов водорода в исследуемой среде. Разность этих потенциалов регистрируется при подключении электрода к внешней электрической цепи через электрод сравнения.
Электродный потенциал подчиняется уравнению Нернста и изменяется линейно в зависимости от логарифма активности ионов водорода. При 25 °С изменение потенциала составляет приблизительно 59 мВ на одну единицу pH.
Стеклянный электрод не измеряет pH в абсолютных значениях, а лишь регистрирует разность потенциалов, которая должна быть откалибрована. Для этого электрод сравнивают с растворами-стандартами, имеющими известный pH. Калибровка обычно проводится в двух или трёх буферных растворах, что позволяет учитывать небольшие отклонения от теоретического значения наклона электродной функции.
При практическом использовании важным условием является поддержание гидратированного слоя мембраны, поскольку именно он обеспечивает ионный обмен. Поэтому электрод хранят в водных растворах, чаще всего в слабом растворе хлорида калия или в буферных растворах. Высыхание приводит к ухудшению чувствительности и увеличению времени отклика.
К основным достоинствам стеклянного электрода относятся:
Однако существуют и ограничения:
Современные разработки включают создание комбинированных стеклянных электродов, в которых в одном корпусе совмещены индикаторный и электрод сравнения. Это повышает удобство и надёжность измерений. Кроме того, появляются электроды с мембранами, оптимизированными для работы в экстремальных условиях: при высоких температурах, в органических растворителях или растворах с низкой ионной силой.
Для биохимических и медицинских исследований разрабатываются миниатюрные стеклянные электроды, позволяющие проводить измерения в малых объёмах жидкости, в том числе в клеточных системах.
Стеклянный электрод занимает центральное место в аналитической химии и биохимии. Он используется в лабораторных исследованиях, технологических процессах, контроле качества воды и пищевых продуктов, в медицине и экологии. Благодаря универсальности и надёжности этот тип электрода стал стандартным средством для определения кислотности в широком спектре научных и прикладных задач.