Instrumentos de pH de laboratorio

Se conoce como electroquímica al estudio de las reacciones químicas que tienen lugar en una solución que incluye la transferencia de electrones entre el electrodo y el electrolito. Entre las mediciones electroquímicas se incluyen:

• pH
• Conductividad (Cond)
• Potencial de reducción de la oxidación (ORP/Redox)
• Concentración de iones (ISE)
• Oxígeno disuelto (OD)

El pH es una escala utilizada para especificar la acidez o la alcalinidad de una solución acuosa. El valor de pH se correlaciona con la concentración (o, para ser más precisos, la actividad) de los iones hidrógeno. Las soluciones con un pH inferior a 7 son ácidas (alta concentración de iones de hidrógeno) y las soluciones con un pH superior a 7 son alcalinas (baja concentración de iones de hidrógeno).

El pH se mide para:

• Producir productos con propiedades definidas
  
• Producir productos a un coste reducido
  
• Asegurar la calidad de los productos para evitar daños humanos, materiales y ambientales
  
• Cumplir los requisitos normativos
• Proteger el equipo
  
• Obtener información para la investigación y el desarrollo

Los instrumentos de pH de laboratorio se emplean en distintas industrias como:

• Farmacia y biotecnología
• Lácteos
• Tratamiento de suelos y aguas residuales
• Cosmética
• Depuración de las aguas
  
• Bebidas y alimentación

Además, los instrumentos de pH son necesarios para aplicaciones fuera del laboratorio. Esto incluye la producción industrial o áreas cercanas, así como aplicaciones de campo (para mediciones de agua, agua residuales, suelo, etc.).

Las herramientas necesarias para las mediciones del pH son relativamente sencillas. Además, proporcionan resultados fiables cuando se usan adecuadamente. Un instrumento de pH de laboratorio suele estar formado por lo siguiente:

• pHmetro: un potenciómetro que mide la diferencia de tensión entre un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia; además, calcula el valor del pH.
• Sensores: un electrodo de referencia y otro de pH para completar el circuito. Hoy en día, pueden combinarse y pasar a denominarse electrodos de pH combinados.

Otras herramientas necesarias son:

• Soluciones de calibración: antes de medir el pH de una muestra, se deben usar dos o más soluciones de referencia de valores de pH conocidos para calibrar el electrodo de pH.
• Muestra: la muestra es la solución que se va a medir, la cual debe ser acuosa o contener el agua suficiente para que se pueda medir el pH.

Sí, el pH y la conductividad están relacionados, pero no de forma lineal o absoluta.
Un sensor de pH responde exclusivamente al H⁺ en una solución, mientras que, en el caso de la conductividad, los sensores miden la actividad de todos los iones con carga (aniones y cationes) presentes en la solución. Cuanto mayor sea la concentración de iones, mayor será la conductividad.

Asimismo, la movilidad de un ion tiene un efecto potenciador en la conductividad. Entre los iones más comunes de una solución, el catión con más movilidad es el ion de hidrógeno [H⁺], con un valor de 350 unidades, y el anión con más movilidad es el ion de hidróxido [OH^-], con 199 unidades. Otros iones comunes cuentan con valores de entre 40 y 80 unidades. Eso significa que las soluciones fuertemente ácidas (o fuertemente básicas) tendrán conductividades altas. Dado que el pH constituye una medición de la concentración de iones de hidrógeno, se aplican las siguientes reglas:

• En soluciones ácidas (pH < 7): cuanto más bajo es el pH (es decir, cuanto mayor es la concentración de H⁺), mayor es la conductividad.
  
• En soluciones alcalinas (pH > 7): la conductividad aumenta con el incremento del pH (aumentos de ion de OH^-).
  
• El pH neutro (pH 7) se debe a la existencia del mismo grado de concentración de iones de H⁺ y OH^-. Sin embargo, no significa que la solución no contenga otros iones que podrían contribuir a la conductividad de la solución.
  
  

Veamos un ejemplo: el pH del agua desionizada es, en teoría, 7.0 y la conductividad es 0,055 µS/cm. Si se añade sal NaCI, la solución de NaCI resultante seguirá teniendo un pH neutro, pero la conductividad de la solución podría aumentar en gran medida dependiendo de la cantidad de NaCI añadida.

En resumen: el pH y la conductividad de una muestra deben determinarse por separado para cada una de las muestras y no pueden correlacionarse en teoría.

Las mediciones del pH dependen de la temperatura de la muestra. Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

a. La influencia de la temperatura sobre la pendiente de un electrodo:
el electrodo de pH proporciona un potencial (mV) entre la semicelda de medición y la de referencia. El instrumento de pH de laboratorio calcula el valor del pH a partir de este potencial utilizando el factor que depende de la temperatura −2,3 * R * T / F, donde R es la constante universal del gas, T es la temperatura en grados Kelvin y F la constante de Faraday. A 298 K (25 °C), el factor es −59,16 mV/pH. Este proceso se denomina la pendiente teórica del electro a la temperatura de referencia (25 °C). A diferentes temperaturas, los valores de la pendiente pueden calcularse en consecuencia. P. ej.: −56,18 mV/pH a 10 °C, −58,17 mV/pH a 20 °C, −60,15 mV/pH a 30 °C, etc. El efecto de la temperatura sobre la medición del pH se corrige por la compensación automática (ATC) o manual (MTC) de la temperatura. Por lo tanto, es importante saber la temperatura de una muestra o usar una sonda de temperatura. Si la temperatura se establece de forma incorrecta, esto tendrá como resultado un error de 0,12 unidades de pH por 5 °C de diferencia.

b. La temperatura afecta al valor de pH de una muestra:
el valor de pH de la muestra cambia según la temperatura. Se trata de un efecto químico y, por lo tanto, es diferente en cada tipo de muestra. Este efecto no puede compensarse, solo se muestra el valor de pH real a la temperatura real. Por consiguiente, es importante comparar solo los valores de pH medidos a la misma temperatura.

Excepción: la dependencia de la temperatura del pH de muchas soluciones tampón comerciales se almacena en el instrumento. Como resultado, el electrodo se puede calibrar a diferentes temperaturas porque los potenciales medidos remiten de forma automática a 25 °C o 20 °C. Para aprovechar esta función, es importante seleccionar el grupo de tampones correcto y medir la temperatura durante la calibración.

La medición de la conductividad depende en gran medida de la temperatura (aproximadamente un 2 % de variación por °C). Los resultados solo se pueden comparar si la temperatura de todas las muestras es idéntica o si el valor se refiere a una determinada temperatura de referencia.

En la mayoría de los casos, se emplea la compensación lineal de la temperatura. El operario debe seleccionar 20 °C o 25 °C como temperatura de referencia. La diferencia entre la temperatura medida y la de referencia se multiplica por un factor de compensación llamado α (unidad; %/°C), que, a su vez, compensa la conductividad.

Para hacer esto de forma correcta, se debe determinar el coeficiente de compensación lineal α para cada muestra. Aunque la dependencia de la temperatura se considera lineal, en realidad, este coeficiente “lineal” depende de la concentración de iones y la temperatura de una muestra. La configuración de fábrica para α es 2,00 %/°C. En todos los medidores Five and Seven, α se puede ajustar de 0,00 %/°C (es decir, sin compensación de temperatura alguna) a 10 %/°C.

El centro de asistencia y cualificación para el pH (pH CSC, por sus siglas en inglés) de METTLER TOLEDO está formado por un equipo de expertos en análisis electroquímico directo. Gracias al estrecho contacto que mantiene el equipo con los clientes, el servicio de asistencia técnica y la gestión y el desarrollo de productos, somos capaces de ofrecer un asesoramiento rápido y soluciones eficaces, lo que convierte este servicio en algo único en el análisis de pH.

La asistencia técnica y aplicativa ofrecida abarca los siguientes parámetros de medición y el equipo pH Lab relacionado de METTLER TOLEDO:

• pH
• ORP (Redox)
• Concentración de iones (ISE)
• Conductividad
• Oxígeno disuelto (OD)