pH-meters en pH-instrumenten voor laboratoria

Elektrochemie is het onderzoek naar chemische reacties die plaatsvinden in een oplossing waarbij elektronen worden overgedragen van de elektrode naar de elektrolyt. Elektrochemische metingen omvatten:

• pH
• Geleidbaarheid
• Oxidatie-reductiepotentiaal (ORP of redox)
• Ionconcentratie (ISE)
• Opgeloste zuurstof (DO)

pH is een meetschaal die wordt gebruikt om de zuurgraad of alkaliteit van waterige oplossingen aan te duiden. De pH-waarde correleert met de concentratie (of beter: met de activiteit) van waterstofionen. Oplossingen met een pH van minder dan 7 zijn zuur (hoge concentratie waterstofionen) en oplossingen met een pH van meer dan 7 zijn basisch (lage concentratie waterstofionen).

De pH wordt gemeten om de volgende redenen:

• Producten met specifieke kenmerken produceren
  
• Producten tegen lagere kosten produceren
  
• De kwaliteit van producten garanderen om schade aan mensen, materialen of het milieu te voorkomen
  
• De wet- en regelgeving naleven
• Apparatuur beschermen
  
• Kennis opdoen voor onderzoek en ontwikkeling

pH-instrumenten voor laboratoria worden in diverse industrieën gebruikt, zoals:

• Farmaceutica en biotechnologie
• Zuivelindustrie
• Bodem- en rioolwaterzuivering
• Cosmetica
• Waterfiltering
  
• Voedingsmiddelen en dranken

Bovendien zijn pH-instrumenten nodig voor toepassingen buiten het laboratorium. Dit zijn bijvoorbeeld locaties in de buurt van of op industriële terreinen en andere locaties (voor water-, rioolwater-, bodemmetingen, enz.).

De benodigdheden voor pH-metingen zijn betrekkelijk eenvoudig en ze leveren betrouwbare meetwaarden als ze juist worden gebruikt. Een typisch pH-instrument voor laboratoria bestaat uit het volgende:

• pH-meter: een potentiometer die het spanningsverschil meet tussen een glazen elektrode en een referentie-elektrode en de pH-waarde berekent.
• Elektrodes: een referentie- en een pH-elektrode om het circuit tot stand te brengen. Tegenwoordig kunnen deze elektrodes gecombineerd worden. Ze worden dan gecombineerde pH-elektrodes genoemd.

Overige benodigdheden zijn:

• Kalibratieoplossingen: voordat de pH van een sample wordt gemeten, moeten eerst twee of meer referentie-oplossingen met een bekende pH-waarde voor de kalibratie van de pH-elektrode worden gebruikt.
• Sample: het sample is de oplossing die wordt gemeten. Het moet een waterige oplossing zijn of voldoende water bevatten om de pH-meting mogelijk te maken.

Ja, de pH en geleidbaarheid staan in verband met elkaar, maar niet op lineaire of absolute wijze.
Een pH-elektrode reageert uitsluitend op de H⁺ in een oplossing, terwijl de elektrodes tijdens een geleidbaarheidsmeting alle activiteit van geladen ionen (anionen en kationen) meten die in een oplossing aanwezig zijn. Hoe groter de ionenconcentratie, hoe hoger de geleidbaarheid.

Bovendien heeft de mobiliteit van een ion versterkende gevolgen voor de geleidbaarheid. Van alle vaak voorkomende ionen in een oplossing is het meest mobiele kation het waterstofion [H⁺] met een waarde van 350 eenheden. Het meest mobiele anion is het hydroxylion [OH^-] met 199 eenheden. Overige vaak voorkomende ionen hebben waarden binnen het bereik van 40-80 eenheden. Dit betekent dat sterk zure (of sterk basische) oplossingen zeer geleidend zijn. Aangezien de pH een meting is van de concentratie van waterstofionen, geldt de volgende regel:

• In zure oplossingen (< pH 7): hoe lager de pH (ofwel hoe hoger de H⁺ concentratie) hoge hoger de geleidbaarheid.
  
• In alkalische oplossingen (> pH 7): de geleidbaarheid neemt toe wanneer de pH toeneemt (toename van het OH^- ion).
  
• Een neutrale pH (pH 7) is het gevolg van een gelijke concentratie van H⁺ en OH^- ionen. Dit betekent echter niet dat de oplossing geen andere ionen bevat die een bijdrage leveren aan de geleidbaarheid van de oplossing.
  
  

Denk aan het volgende voorbeeld: de pH van gedeïoniseerd water is in theorie 7,0 en de geleidbaarheid 0,055 µS/cm. Als u NaCl zout aan de oplossing toevoegt, heeft de resulterende NaCl-oplossing nog steeds een neutrale pH, maar de geleidbaarheid van de oplossing kan enorm zijn toegenomen, afhankelijk van de hoeveelheid toegevoegde NaCl.

Met andere woorden: de pH en de geleidbaarheid van een sample moeten voor elk sample apart wordt vastgesteld en kunnen niet theoretisch aan elkaar worden verbonden.

pH-metingen zijn afhankelijk van de sampletemperatuur. Houd rekening met onderstaande punten:

a. De invloed van de temperatuur op de slope van een elektrode:
de pH-elektrode zorgt voor een potentiaal (mV) tussen de meet- en de referentie-halfcel. Het pH-instrument berekent de pH-waarde op basis van dit potentiaal met gebruik van de temperatuurafhankelijke factor -2,3 * R * T / F, waarbij R staat voor de universele gasconstante, T voor de temperatuur in graden Kelvin en F voor de Faraday-constante. Bij 298 K (25 °C) is de factor -59,16 mV/pH. Dit wordt de theoretische slope van de elektrode bij de referentietemperatuur (25 °C) genoemd. De slope-waarden worden bij verschillende temperaturen berekend. Bijv.: -56,18 mV/pH bij 10 °C, -58,17 mV/pH bij 20 °C, -60,15 mV/pH bij 30 °C enzovoort. Deze invloed van de temperatuur op de pH-meting wordt gecorrigeerd door automatische (ATC) of handmatige temperatuurcompensatie (MTC). Daarom is het belangrijk om de temperatuur van een sample te kennen of om een temperatuursonde te gebruiken. Een verkeerd ingestelde temperatuur zal een fout veroorzaken van 0,12 pH-eenheden per 5 °C temperatuurverschil.

b. De temperatuur beïnvloedt de pH-waarde van een sample:
de pH-waarde van een sample verandert op basis van de temperatuur. Dit is een chemisch effect van elk soort sample. Deze invloed kan niet worden gecompenseerd. Alleen de ware pH-waarde bij de actuele temperatuur wordt weergegeven. Daarom is het belangrijk om alleen pH-waarden met elkaar te vergelijken die bij dezelfde temperatuur zijn gemeten.

Uitzondering: de temperatuurafhankelijkheid van de pH van veel in de handel verkrijgbare bufferoplossingen is in het instrument opgeslagen. Daarom kan de elektrode bij verschillende temperaturen worden gekalibreerd, aangezien de gemeten potentialen automatisch gebaseerd zijn op 25 °C of 20 °C. Als u van deze functie wilt profiteren, moet u de juiste buffergroep selecteren en de temperatuur tijdens de kalibratie meten.

De geleidbaarheidsmeting hangt sterk van de temperatuur af (ca. 2% variatie per °C). De resultaten kunnen alleen met elkaar worden vergeleken als de temperatuur van alle samples identiek is of als alle waarden gebaseerd zijn op een bepaalde referentietemperatuur.

Meestal wordt de lineaire temperatuurcompensatie gebruikt. De operator moet 20 °C of 25 °C als de referentietemperatuur selecteren. Het verschil tussen de gemeten en de referentietemperatuur wordt vervolgens vermenigvuldigd door een compensatiefactor die α wordt genoemd (de eenheid is %/°C), die de geleidbaarheid zal compenseren.

Voor de juiste compensatie moet de lineaire compensatiecoëfficiënt α voor elk sample worden vastgesteld. Ook al wordt de temperatuurafhankelijkheid als lineair beschouwd, toch hangt deze 'lineaire' coëfficiënt zelf af van de ionconcentratie en de temperatuur van een sample. De fabrieksinstelling voor α is 2,00 %/°C. In alle Five- en Seven-meters kan α worden aangepast van 0,00 %/°C (geen temperatuurcompensatie) tot 10 %/°C.

Het 'pH Competence and Support Center' (pH CSC) van METTLER TOLEDO bestaat uit van een team van deskundigen op het gebied van directe elektrochemische analyse. Dankzij het nauwe contact van het team met klanten, de technische ondersteuning, het productmanagement en de productontwikkeling kan snel advies worden gegeven en kunnen effectieve oplossingen worden ontwikkeld. Dit is een unieke service die voor pH-analyses wordt geleverd.

De geboden technische en toepassingsgerichte ondersteuning omvat de volgende meetparameters en de bijbehorende pH-apparatuur voor laboratoria van METTLER TOLEDO:

• pH
• Redox (ORP)
• Ionconcentratie (ISE)
• Geleidbaarheid
• Opgeloste zuurstof (DO)