Разработки новых электродных стекол были подготовлены исследованиями ученых 30-40-х годов.

В 1937 г. Б.П. Никольским была предложена ионообменная теория стеклянного электрода. Эта теория была быстро принята большинством исследователей, нашла приложение во многих работах и получила дальнейшее развитие.

Новые составы стекол для стеклянных электродов разрабатывали: Ленинградский университет (Б.П. Никольский, М.М. Шульц, А.И. Парфенов, Н.В. Пешехонова), Ленинградский технологический институт имени Ленсовета (К.С. Евстропьев, О.В. Мазурин), московские институты: ВНИИ автоматики Министерства черной металлургии (А.С. Беневольский, В.П. Юхновский), Государственный институт стекла (Г.С. Богданова и другие), Тбилисские СКБ аналитического приборостроения (В.А. Долидзе, В.М. Тарасова и др.).

Сотрудниками ВНИИАчермет, ЛГУ и СКБ АП была обоснована необходимость и намечены пути создания специального набора электродных стекол.

В зависимости от требуемого интервала кислотности растворов, в котором буду работать стеклянные электроды, их типы маркируют индексом «К» - кислотные, «У» - «универсальные» или «Н» - нормальные – для среднего интервала рН и «Щ» - для щелочных сред. По температуре – низкотемпературные (НТ – 5-20оС), среднетемпературные (СТ 15-60оС), высокотемпературные (ВТ 50-100оС). Например, УНТ, ЩВТ, КСТ и т.д. Типы электродных стекол различаются в основном содержанием входящего в них щелочного компонента. В современных стеклах для рН-метрии в качестве такового употребляется окись лития Li2O.

Основное требование к стеклам типа НТ – их высокая электропроводность. Ток через стекло переносится ионами лития. Значит, их должно быть сравнительно много. Рекомендуется в стекла типа НТ вводить Li2O в количестве 28-33 мол.%. Агрессивное воздействие среды на стекло при низких температурах выражено в слабой степени, и некоторое снижение химической устойчивости стекла, вызванное увеличением концентрации Li2O, здесь не страшно.

В стеклах СТ концентрация окиси лития должна быть несколько ниже – 25-27%. И, наконец, в стеклах, предназначенных для электродов, работающих в условиях высоких температур (ВТ), она минимально возможная – 20-24%. Этого достаточно, чтобы обеспечить необходимую электропроводность стекла, которая при повышении температуры тоже повышается, и в то же время сообщить стеклу необходимую устойчивость к агрессивному воздействию горячих растворов. Этот эффект еще усиливается добавками некоторых оксидов, таких, как TiO2, Zo2.

Функционирование электродов в том или ином интервале кислотности (К, Н или Щ) обеспечивается специальными добавками окислов Cs2O, CaO, La2O3, Nd2O3.

Теоретическими исследованиями, а также систематическим изучением зависимости электродных свойств стекол от их состава были значительно расширены области применения стеклянных электродов.

Определенные изменения состава стекла (введением в него окислов алюминия и бора) можно получить стекло, электроды из которого в широком интервале рН начинают отвечать не на изменение рН, а на изменение концентрации (активностей) ионов натрия, калия, лития, аммония, серебра и др.

О возможности получения стеклянных электродов для измерения активностей металлических ионов было известно еще в 30-х годах, но только в середине 50-х годов в Ленинградском университете были разработаны первые стекла для измерения активности натрия и изготовлены первые образцы электродов. Они сразу же нашли применение в работах почвоведов и гидрохимиков.

Особенно велика потребность в ионометрии у медиков и биологов. Велика не столько по количеству требуемой аппаратуры, сколько по разнообразию ее применений. Уж очень заманчивы раскрывающиеся перспективы – проследить за ионными процессами, происходящими в организме, не вмешиваясь в них.

Очень заинтересовало медиков и биологов возможность создания прибора-анализатора ионного (рН, pNa, pK, pCa, pCl) и газового (О2, СО2) состава крови, причем в одной и той же пробе или непосредственно в кровеносном сосуде.

Разработаны и применяются системы для контроля кислотности непосредственно в пищеварительном тракте человека. Вместо процедуры глотания зонда с последующей откачкой содержимого и определением концентрации кислоты в нем в некоторых клиниках предлагают глотать зонд с индикаторным рН-электродом – сурьмяным или стеклянным. Внутри резинового зонда проходят провода, связывающие датчик (рН-оливу) с измерительным прибором. Датчиком может быть несколько, для разных мест пищеварительного тракта.

Теория стеклянного электрода имеет более общее значение, так как сами стеклянные электроды входят в еще более общий тип ионообменных электродов, т.е. электродов, в образовании потенциала которых существенную роль играют реакции ионного обмена между материалом электрода и раствором.

Процессом ионного обмена заключается в том, что некоторое вещество – ионообменик, ионит, помещенное в раствор (или расплав), посылает в него свои подвижные ионы в обмен на ионы того же знака заряда. Новые ионы занимают в ионите места старых, в строго соответствии с принципом электронейтральности. Обмен происходит в эквивалентных количествах. Структура ионита при этом существенно не изменяется.

Ионообменными свойствами в какой то мере обладают материалы самого разнообразного происхождения. Процессы ионного обмена постоянно происходят в горных породах, морских и речных песках, в почвах, илах.

Ионит, как правило, - твердое вещество*, обладающее полимерным каркасом (матрицей). Каркас имеет заряженные тем или иным знаком узлы - фиксированные ионы**. Каркас катионита несет отрицательно заряженные узлы и представляют собой, таким образом, гигантский полианион; каркасанионита заряжен положительно и представляет собой поликатион. Заряд каркаса, т.е. заряд фиксированных ионов, компенсируется зарядами подвижных ионов противоположного знака – противоинов. Противоионы попадают при его синтезе и могут быть полностью или частично заменены на ионы раствора того же знака. Вместе с противоинами из раствора могут попасть в ионит и подвижные ионы того же знака заряда, что фиксированные ионы – коионы.

Из практических важных характеристик ионитов отметим следующие. Это прежде всего ионообменная емкость – способность обменять то или иное число противоионов на ионы раствора. Теоретически емкость определяется как концентрация фиксированных ионов в единице объема ионита. В ионит могут проникать противоионы и коионы, причем противоионов поглощается всегда больше, чем коинов. То, насколько их больше, определяет одну из важнейших характеристик ионита – селективность поглощения. Заметное влияние на эту величину оказывает концентрация внешнего раствора. Из более концентрированного раствора и коиноны поглощаются в большей степени, т.е. селективность поглощения уменьшается.

Если раствор содержит несколько сортов ионов одного знака и каждый из них может играть роль противоиона, а ионит явно «предпочитает» один из них, то говорят о специфичности поглощения по отношению к этому сорту ионов сравнительно с другими. Количественной мерой специфичности поглощения является «константа обмена» - Кобм.