pH-mètres et instruments pH de laboratoire

L'électrochimie est l'étude des réactions chimiques qui ont lieu dans une solution impliquant des transferts d'électrons entre l'électrode et l'électrolyte. Les mesures électrochimiques comprennent :

• pH
• La conductivité (Cond)
• Le potentiel d'oxydoréduction (ORP ou Redox)
• Concentration ionique (ISE)
• Oxygène dissous (OD)

Le pH est une échelle de valeurs indiquant l'acidité ou l'alcalinité des solutions aqueuses. La valeur du pH est corrélée à la concentration (ou plus précisément à l'activité) des ions hydronium. Les solutions qui présentent un pH inférieur à 7 sont dites acides (forte concentration d'ions hydronium) ; les solutions avec un pH supérieur à 7 sont dites basiques (faible concentration d'ions hydronium).

Le pH est mesuré pour les raisons suivantes :

• Créer des produits aux propriétés définies
  
• Fabriquer des produits à des coûts réduits
  
• Garantir la qualité des produits, afin d'éviter les dommages aux personnes, aux matières et à l'environnement
  
• Respecter les exigences réglementaires
• Protéger les équipements
  
• Acquérir des connaissances pour la recherche et le développement

Les instruments pH de laboratoire sont utilisés dans diverses industries telles que :

• la pharmacie et la biotechnologie ;
• les produits laitiers ;
• le traitement des sols et des eaux usées ;
• la cosmétique ;
• la filtration de l'eau ;
  
• l'industrie agroalimentaire.

Les instruments pH sont également nécessaires pour des applications hors laboratoire. Ils peuvent être utilisés à proximité de la production industrielle ou sur le terrain (pour mesurer l'eau, les eaux usées, le sol, etc.).

Les outils nécessaires pour les mesures de pH sont relativement simples et fournissent des mesures fiables lorsqu'ils sont utilisés correctement. Un instrument de pH de laboratoire typique se compose des éléments suivants :

• pH-mètre : Un potentiomètre qui mesure la différence de tension entre une électrode en verre et une électrode de référence et calcule la valeur du pH.
• Électrodes : une électrode de référence et une électrode de pH pour compléter le circuit. Aujourd'hui, il est possible de les combiner. On les appelle des électrodes de pH combinées.

Autres outils nécessaires :

• Solutions de calibrage : avant de mesurer le pH d'un échantillon, il convient d'utiliser au moins deux solutions de référence, de valeurs de pH connues, pour le calibrage de l'électrode de pH.
• Échantillon : L'échantillon est la solution à mesurer. Cette solution doit être aqueuse ou contenir suffisamment d'eau pour que la mesure du pH soit possible.

Oui, le pH et la conductivité sont liés, mais pas de manière linéaire ou absolue.
Une électrode de pH répond uniquement à H⁺ dans une solution, alors qu'en conductivité, les électrodes mesurent l'activité de tous les ions chargés (anions et cations) présents dans une solution. Plus la concentration en ions est élevée, plus la conductivité est élevée.

De plus, la mobilité d'un ion influe sur la conductivité. Parmi les ions courants présents dans une solution, le cation le plus mobile est l'ion hydronium [H⁺] avec une valeur de 350 unités ; l'anion le plus mobile est l'ion hydroxyle [OH^-], 199 unités. Les autres ions courants ont des valeurs comprises entre 40 et 80 unités. Cela signifie que les solutions fortement acides (ou fortement basiques) auront des conductivités élevées. Le pH étant une mesure de la concentration des ions hydronium, les règles suivantes s'appliquent :

• Dans les solutions acides (< pH 7), plus le pH est faible (c'est-à-dire plus la concentration en H⁺ est élevée), plus la conductivité est élevée.
  
• Dans les solutions alcalines (> pH 7), la conductivité augmente avec l'augmentation du pH (concentration de l'ion OH^-).
  
• Un pH neutre (pH 7) signifie que la concentration des ions H⁺ et OH^- est égale. Mais cela ne veut pas dire que la solution ne contient pas d'autres ions qui contribuent à la conductivité de la solution.
  
  

Prenons un exemple : le pH de l'eau désionisée est théoriquement de 7,0, et la conductivité de 0,055 µS/cm. Si vous y ajoutez du sel NaCl, la solution de NaCl obtenue sera toujours de pH neutre. Cependant, en fonction de la quantité de NaCl ajoutée, la conductivité de la solution pourrait augmenter considérablement.

En résumé : le pH et la conductivité d'un échantillon doivent être déterminés séparément pour chacun des échantillons et ne peuvent pas être théoriquement liés.

Les mesures de pH dépendent de la température d'un échantillon. Il est important de garder à l'esprit les points suivants :

a. L'influence de la température sur la pente d'une électrode :
L'électrode de pH fournit un potentiel (mV) entre la demi-cellule de mesure et la demi-cellule de référence. L'instrument pH de laboratoire calcule la valeur du pH à partir de ce potentiel en utilisant le facteur de correction de la température -2,3 * R * T / F, où R est la constante universelle des gaz, T la température en Kelvin et F la constante de Faraday. À 25 °C (298 K), le facteur est de -59,16 mV/pH. On appelle cela la pente théorique de l'électrode à la température de référence (25 °C). À différentes températures, les valeurs de la pente peuvent être calculées en conséquence. Par exemple : -56,18 mV/pH à 10 °C, -58,17 mV/pH à 20 °C, -60,15 mV/pH à 30 °C et ainsi de suite. Pour corriger cette influence de la température sur la mesure du pH, on utilise une compensation automatique (ATC) ou manuelle (MTC) de la température. Il est donc important de connaître la température de l'échantillon ou d'utiliser une sonde de température. Une température mal réglée entraîne une erreur de 0,12 unité de pH par 5 °C de différence.

b. La température influence la valeur du pH d'un échantillon :
La valeur du pH d'un échantillon change avec la température. Il s'agit d'un effet chimique et donc unique à chaque type d'échantillon. Cette influence ne peut pas être compensée ; seule la valeur réelle du pH à la température effective est affichée. Il est donc important de ne comparer que les valeurs de pH mesurées à la même température.

Exception : pour de nombreuses solutions tampons commerciales, l'influence de la température sur le pH est enregistrée dans l'instrument. Par conséquent, l'électrode peut être calibrée à différentes températures car les potentiels mesurés sont automatiquement exprimés pour 25 °C ou 20 °C. Pour bénéficier de cette fonction, il est important de sélectionner le bon groupe de solutions tampons et de mesurer la température pendant le calibrage.

La mesure de la conductivité dépend fortement de la température (environ 2 % de variation par °C). Les résultats ne peuvent être comparés que si la température de tous les échantillons est identique ou si la valeur se base sur une température de référence donnée.

Dans la plupart des cas, on utilise la compensation linéaire de la température. L'opérateur doit choisir 20 °C ou 25 °C comme température de référence. La différence entre la température mesurée et la température de référence est ensuite multipliée par un facteur de compensation appelé α (unité : %/°C), qui compense à son tour la conductivité.

Pour effectuer cette opération correctement, il faut déterminer le facteur de compensation linéaire α pour chaque échantillon. Même si on considère la dépendance à la température comme linéaire, en réalité, ce facteur « linéaire » dépend lui-même de la concentration en ions et de la température de l'échantillon. Le réglage d'usine de α est 2,00 %/°C. Dans tous les instruments de mesure Five and Seven, α peut être réglé de 0,00 %/°C (aucune compensation de température) à 10 %/°C.

Le centre d'assistance et de compétences sur le pH METTLER TOLEDO (pH CSC) rassemble une équipe d'experts en analyse électrochimique directe. L'équipe étant en contact étroit avec les clients, l'assistance technique, les responsables et les développeurs de produits, elle peut fournir rapidement des conseils et des solutions efficaces, ce qui en fait un atout unique dans le monde de l'analyse du pH.

L'assistance technique et pratique proposée porte sur les paramètres de mesure suivants et l'équipement de laboratoire METTLER TOLEDO de mesure du pH correspondant :

• pH
• Potentiel Redox (ORP)
• Concentration ionique (ISE)
• Conductivité
• Oxygène dissous (OD)