Vodič o teoriji mjerenja pH-vrijednosti

Ispravna i precizna mjerenja pH-vrijednosti ovise o pouzdanim instrumentima i elektrodama. Pravilan odabir i održavanje opreme te rukovanje njome ključni su za postizanje optimalnih rezultata i produživanje vijeka trajanja instrumenata.

U ovom Vodiču o teoriji pH-vrijednosti naglasak se stavlja na pružanje jasnog i praktičnog opisa postupka mjerenja pH-vrijednosti u laboratoriju i na terenu. Za važna se pitanja pruža velik broj savjeta i preporuka te je cjelokupni opis mjerenja u nastavku potkrijepljen teoretskim opisom mjerenja kiselosti i alkalnosti. Pozornost se pridaje i različitim vrstama dostupnih pH-elektroda i kriterijima za odabir odgovarajuće elektrode
za određeni uzorak.

Sadržaj:

Uvod u pH-vrijednost
Odabir elektrode i rukovanje elektrodom
Vodič za rješavanje problema pri mjerenju pH-vrijednosti
Sveobuhvatna teorija pH-vrijednosti

Preuzmite besplatan Vodič o teoriji pH-vrijednosti te saznajte osnove ispravnog i preciznog mjerenja pH-vrijednosti. Saznajte korisne savjete i preporuke od naših stručnjaka za pH-vrijednosti za vaš svakodnevni rad u laboratoriju i na terenu.

Pregledajte Vodič o teoriji pH-vrijednosti:

1. Uvod u pH-vrijednost

Zašto tekućinu koja se primjenjuje u svakodnevnom životu poput octa klasificiramo kao kiselu? Razlog tomu jest to što ocat sadržava višak hidronijevih iona (H₃O⁺), što otopinu čini kiselom. S druge strane, višak hidroksidnih iona (OH^–) nešto čini bazičnim ili alkalnim. U čistoj vodi hidronijevi ioni neutraliziraju se hidroksidnim ionima te za tu otopinu kažemo da ima neutralnu pH-vrijednost.

H₃O⁺+ OH^– ↔ 2 H₂O

Slika 1.

Reakcijom kiseline i baze nastaje voda. Ako molekule neke tvari disocijacijom otpuštaju ione ili protone vodika, tu se tvar naziva kiselinom, a njezina otopina postaje kisela. Neke su od najpoznatijih kiselina klorovodična kiselina, sumporna kiselina i octena kiselina ili ocat. Disocijacija octa prikazana je u nastavku:

CH₃COOH + H₂O ↔ CH₃COO^– + H₃O⁺

Slika 2. Disocijacija octene kiseline.

Nisu sve kiseline jednake jačine. Koliko je nešto kiselo ovisi o ukupnom broju iona vodika u otopini. pH-vrijednost definira se kao negativni logaritam koncentracije iona vodika. (Točnije, ona ovisi o aktivnosti iona vodika. Za više informacija o aktivnosti iona vodika pogledajte poglavlje 4.2).

pH = –log [H₃O⁺]

Slika 3. Formula za izračun pH-vrijednosti na temelju koncentracije hidronijevih iona.

Kvantitativna razlika između kiselih i lužnatih tvari može se odrediti mjerenjem pH-vrijednosti. Nekoliko primjera pH-vrijednosti svakodnevnih tvari i kemikalija navedeno je na slici 4.:

... više saznajte u Vodiču o teoriji pH-vrijednosti...

1.1. Kiselo ili alkalno
1.2.   Zašto se mjere pH-vrijednosti?
1.3. Alati za mjerenje pH-vrijednosti
         a) pH-elektroda
         b) Referentne elektrode
         c) Kombinirane elektrode
1.4. Praktični vodič za ispravna mjerenja pH-vrijednosti
         a) Priprema uzoraka
         b) Kalibracija
         c) pH-elektroda
         d) Očekivana preciznost mjerenja
1.5   Vodič za mjerenje pH-vrijednosti u koracima

2. Odabir elektrode i rukovanje elektrodom

Za optimalno mjerenje pH-vrijednosti potrebno je prvo odabrati odgovarajuću elektrodu.

Najvažniji su kriteriji koje treba uzeti u obzir po pitanju uzoraka: kemijski sastav, homogenost, temperatura, raspon pH-vrijednosti i veličina spremnika (ograničenja po pitanju dužine i širine). Odabir je posebno važan za uzorke koji ne sadrže vodu, slabe su vodljivosti, bogati su proteinima te su viskozni jer su u tim slučajevima višenamjenske staklene elektrode podložne raznim pogreškama.

Vrijeme odaziva i preciznost elektrode ovisi o brojnim čimbenicima. Mjerenja pri ekstremnim pH-vrijednostima i temperaturama ili pri slaboj vodljivosti mogu potrajati dulje od mjerenja u vodenim otopinama pri sobnim temperaturama s neutralnom pH-vrijednošću.

Važnost različitih vrsti uzoraka objašnjena je u nastavku tako što su kao početne točke uzete različite karakteristike elektrode. U ovom je poglavlju ponovno uglavnom riječ o kombiniranim pH-elektrodama.

Slika 14. Elektroda s keramički spojem.

a) Keramički spojevi

Otvor koji sadržava referentni dio pH-elektrode za održavanje
kontakta s uzorkom može biti u nekoliko različitih oblika. Ti su se
oblici s vremenom promijenili zbog različitih zahtjeva koje
za elektrode predstavlja mjerenje različitih uzoraka. „Standardni” spoj
najjednostavniji je oblik te je poznat pod nazivom „keramički spoj”. Sastoji se
od poroznog komada keramike koji se provlači kroz staklenu osovinu
elektrode. S pomoću tog poroznog keramičkog materijala omogućava se
polagano istjecanje elektrolita iz elektrode, ali se sprječava njegovo slobodno istjecanje.
Ta vrsta spoja veoma je pogodna za standardna mjerenja u vodenim
otopinama; METTLER TOLEDO InLab® Routine Pro primjer je
takve elektrode. Shematski prikaz načela na kojem se taj spoj temelji
nalazi se na slici 14. u nastavku.

... više saznajte u Vodiču o teoriji pH-vrijednosti...

2.1.     Različite vrste spojeva
           a) Keramički spojevi
           b) Cjevasti spojevi / spojevi od brušenog stakla
           c) Otvoreni spojevi
2.2.     Referentni sustavi i elektroliti
2.3.     Vrste membranskog stakla i oblici membrana
2.4.     pH-elektrode za specifične primjene
           Jednostavni uzorci
           Prljavi uzorci
           Emulzije
           Polučvrsti ili čvrsti uzorci
           Ravni uzorci i veoma mali uzorci
           Mali uzorci i spremnici za problematične uzorke
           InLab^® Power (Pro)
2.5.     Održavanje elektrode
2.6.     Pohrana elektrode
           Kratkoročna pohrana
           Dugoročna pohrana
           Senzori za temperaturu
2.7.     Čišćenje elektrode
           Blokada srebrnim sulfidom (Ag2S)
           Blokada srebrnim kloridom (AgCl)
           Blokada proteinima
           Druge blokade spojeva
2.8.     Regeneracija i vijek trajanja elektrode
2.9.     Dodatne informacije

Videozapisi o rukovanju elektrodama na platformi Youtube

3. Vodič za rješavanje problema pri mjerenju pH-vrijednosti

Uzroci problema koji se javljaju tijekom mjerenja pH-vrijednosti mogu biti razni: od pH-metra, kabela i elektrode pa sve do pufera, temperature mjerenja i uzorka (načina primjene uzorka). Potrebno je posebno u obzir uzeti simptome problema s obzirom na to da oni mogu poslužiti za pronalazak uzroka kvara. U sljedećoj se tablici daje pregled simptoma i uzroka:

Očitanja previsoka/preniska ili očitanja izvan raspona „---”

Provjerite pH-metar, kabel, elektrodu, postupak kalibracije i temperaturu uzorka

Vrijednost se ne mijenja

Provjerite pH-metar, kabel i elektrodu

Sporo vrijeme odaziva

Provjerite elektrodu i uzorak / način primjene

Veliki pomak nakon kalibracije

Provjerite elektrodu, pufere i postupak kalibracije

Mali nagib nakon kalibracije

Provjerite elektrodu, pufere i postupak kalibracije

Pogreška pri kalibraciji

Provjerite pH-metar, kabel, elektrodu, pufere i postupak kalibracije

Odstupajuće vrijednosti dobivene mjerenjem

Provjerite elektrodu i uzorak / način primjene

... više saznajte u Vodiču o teoriji pH-vrijednosti...

3.1.     Provjera pH-metra i kabela
3.2.     Provjera temperature uzorka i načina primjene uzorka
3.3.     Provjera pufera i postupka kalibracije
           Neki savjeti o uporabi pufera
3.4.     Provjera elektrode

Vodič za rješavanje problema s pH-elektrodom

4. Sveobuhvatna teorija pH-vrijednosti

U prethodnim se poglavljima razmatraju praktični aspekti mjerenja pH-vrijednosti. Ovo se poglavlje uglavnom bavi teoretskom pozadinom mjerenja pH-vrijednosti te je namijenjeno za čitatelje koji žele steći
osnovno razumijevanje teorije pH-vrijednosti.

Na početku poglavlja raspravlja se o osnovnoj teoriji pH-vrijednosti, nakon toga se navodi teorija senzora, dok se kraj poglavlja bavi nekim posebnim temama.

4.1. Definicija pH-vrijednosti

Prema Sørensonu pH-vrijednost definira se kao negativan logaritam koncentracije iona H₃O⁺:

pH = –log [H₃O⁺]

Na temelju jednadžbe može se zaključiti da ako se koncentracija iona H₃O⁺ promijeni za dekadu, pH-vrijednost mijenja se za jedan. Ovo je dobar prikaz toga koliko je važna mogućnost mjerenja čak i malih promjena u pH-vrijednosti uzorka.
Teorija pH-vrijednosti često se opisuje s pomoću povezanosti iona H⁺ i pH-vrijednosti, no relevantan je ion zapravo hidronijev (ili kako je službeno poznat prema IUPAC-u: oksonijev) ion (H₃O⁺):

H⁺+ H₂O ↔ H₃O⁺

Hidronijevi ioni ili hidroksidni ioni ne nastaju samo disocijacijom kiselina i baza, već i disocijacijom čiste vode:

2 H₂O ↔ H₃O⁺ + OH^–

... više saznajte u Vodiču o teoriji pH-vrijednosti...

4.1.     Definicija pH-vrijednosti
4.2.     Korelacija između koncentracije i aktivnosti
4.3.     Puferi
           Kapacitet pufera (ß)
           Vrijednost razrjeđivanja (ΔpH)
           Učinak temperature (ΔpH/ΔT)
4.4.     Mjerni lanac u postavkama mjerenja pH-vrijednosti
           pH-elektroda
           Referentna elektroda
4.5.     Kalibracija/podešavanje postavki mjerenja pH-vrijednosti
4.6.     Utjecaj temperature na mjerenja pH-vrijednosti
           Ovisnost elektrode o temperaturi
           Izotermna točka
           Daljnje temperaturne pojave
           Ovisnost o temperaturi uzorka na kojem se obavlja mjerenje
4.7.     Pojave u slučaju posebnih mjernih otopina
           Pogreška povezana s alkalnošću
           Pogreška povezana s kiselošću
           Reakcije s referentnim elektrolitom
           Organska sredstva