Laboratorijski instrumenti za mjerenje pH

Elektrokemija se bavi istraživanjem kemijskih reakcija koje se odvijaju u otopini i koje uključuju prijenos elektrona između elektrode i elektrolita. Elektrokemijska mjerenja uključuju sljedeće:

• pH
• vodljivost (vodlj.)
• oksidacijsko-redukcijski potencijal (ORP ili redoks)
• koncentraciju iona (ISE)
• otopljeni kisik (DO).

pH je ljestvica koja se upotrebljava za određivanje kiselosti ili lužnatosti vodenih otopina. pH-vrijednost korelira s koncentracijom (ili preciznije: s aktivnosti) iona vodika. Otopine čija pH-vrijednost iznosi manje od 7 kisele su (visoka koncentracija iona vodika), a otopine čija pH-vrijednost iznosi više od 7 lužnate su (niska koncentracija iona vodika).

pH se mjeri kako bi se:

• proizveli proizvodi definiranih svojstava
  
• proizveli proizvodi uz niže troškove
  
• jamčila kvaliteta proizvoda radi izbjegavanja štete za ljude, materijale i okoliš
  
• ispunili zakonski uvjeti
• zaštitila oprema
  
• dobila saznanja za istraživanje i razvoj.

Laboratorijski instrumenti za mjerenje pH-vrijednosti upotrebljavaju se u raznim industrijama kao što su:

• farmacija i biotehnologija
• mliječna industrija
• industrija za obradu tla i pročišćavanje otpadnih voda
• kozmetička industrija
• industrija za filtraciju vode
  
• industrija za prehrambene proizvode i pića.

Nadalje, instrumenti za mjerenje pH-vrijednosti potrebni su za primjene izvan laboratorija. To uključuje lokacije u industrijskim postrojenjima ili u njihovoj blizini te na terenu (za mjerenje vode, otpadne vode, tla itd.).

Alati potrebni za mjerenje pH-vrijednosti relativno su jednostavni i pružaju pouzdana mjerenja kada se pravilno upotrebljavaju. Tipičan laboratorijski instrument za mjerenje pH-vrijednosti sastoji se od sljedećeg:

• pH-metra: potenciometar koji mjeri razliku napona između staklene elektrode i referentne elektrode te izračunava pH-vrijednost
• senzora: referentna i pH-elektroda za zatvaranje kruga. Danas se one mogu kombinirati i nazivaju se kombiniranim pH-elektrodama.

Ostali potrebni alati su:

• kalibracijske otopine: prije mjerenja pH-vrijednosti uzorka, potrebno je kalibrirati pH-elektrodu s pomoću dvije ili više referentnih otopina poznatih pH-vrijednosti
• uzorak: uzorak je otopina koju treba izmjeriti i to mora biti vodena otopina ili mora sadržavati dovoljno vode kako bi mjerenje pH-vrijednosti bilo moguće.

Da, pH i vodljivost povezani su, ali ne linearno ili apsolutno.
pH-senzor reagira isključivo na H⁺ u otopini, dok za vodljivost senzori mjere aktivnost svih nabijenih iona (aniona i kationa) koji se nalaze u otopini. Što je viša koncentracija iona, to je veća vodljivost.

Nadalje, mobilnost iona ima pojačavajući utjecaj na vodljivost. Među zajedničkim ionima u otopini najpokretljiviji kation je ion vodika [H⁺] s vrijednošću od 350 jedinica, a najpokretljiviji anion je hidroksidni ion [OH^-] s 199 jedinica. Ostali zajednički ioni imaju vrijednosti od 40 do 80 jedinica. To znači da će izrazito kisele (ili izrazito lužnate) otopine imati visoku vodljivost. Budući da je pH mjera koncentracije iona vodika, primjenjuju se sljedeća pravila:

• U kiselim otopinama (< pH 7): što je pH-vrijednost niža (tj. što je viša koncentracija H⁺), to je vodljivost viša.
  
• U lužnatim otopinama (> pH 7): vodljivost se povećava s povećanjem pH-vrijednosti (povećanje iona OH^-).
  
• Neutralni pH (pH 7) rezultat je jednake koncentracije iona H⁺ i OH^-. Međutim, to ne znači da otopina ne sadržava druge ione koji bi doprinijeli vodljivosti otopine.
  
  

Uzmimo u obzir jedan primjer: pH deionizirane vode teoretski iznosi 7,0, a vodljivost 0,055 µS/cm. Ako tome dodate sol NaCl, dobivena otopina NaCl i dalje će imati neutralni pH, ali bi vodljivost otopine mogla znatno porasti ovisno o količini dodane NaCl soli.

Ukratko: pH i vodljivost uzorka treba odrediti zasebno za svaki uzorak i ne mogu se teoretski povezati.

Mjerenje pH-vrijednosti ovisi o temperaturi uzorka. Treba imati na umu sljedeće važne informacije:

a. Utjecaj temperature na nagib elektrode:
pH-elektroda pruža potencijal (mV) između mjerne i referentne polućelije. Laboratorijski instrument za mjerenje pH izračunava pH-vrijednost iz tog potencijala s pomoću faktora ovisnog o temperaturi –2,3 * R * T / F gdje R predstavlja univerzalnu plinsku konstantu, T je temperatura u Kelvinima i F je Faradayeva konstanta. Pri 298 K (25 °C), faktor iznosi –59,16 mV/pH. To se naziva teoretskim nagibom elektrode pri referentnoj temperaturi (25 °C). Pri različitim temperaturama vrijednosti nagiba mogu se izračunati u skladu s tim. Npr.: –56,18 mV/pH pri 10 °C, –58,17 mV/pH pri 20 °C, –60,15 mV/pH pri 30 °C i tako dalje. Taj utjecaj temperature na mjerenje pH ispravljen je automatskom (ATC) ili ručnom kompenzacijom temperature (MTC). Stoga je važno znati temperaturu uzorka ili upotrebljavati temperaturnu sondu. Pogrešno postavljena temperatura rezultira pogreškom od 0,12 pH jedinica po razlici od 5 °C.

b. Temperatura utječe na pH-vrijednost uzorka:
pH-vrijednost uzorka mijenja se s temperaturom. Riječ je o kemijskom utjecaju individualnom za svaku vrstu uzorka. Taj se utjecaj ne može kompenzirati i prikazuje se samo stvarna pH-vrijednost pri trenutačnoj temperaturi. Stoga je vrlo važno uspoređivati samo pH-vrijednosti izmjerene pri istoj temperaturi.

Izuzetak: ovisnost pH-vrijednosti o temperaturi mnogih komercijalnih pufer otopina pohranjena je u instrumentu. Zbog toga se elektroda može kalibrirati pri različitim temperaturama jer se izmjereni potencijali automatski referiraju na 25 °C ili 20 °C. Kako biste imali koristi od te značajke, važno je odabrati odgovarajuću skupinu pufera i mjeriti temperaturu tijekom kalibracije.

Mjerenje vodljivosti u velikoj mjeri ovisi o temperaturi (odstupanje od otprilike 2 % po stupnju °C). Rezultati se mogu usporediti samo ako je temperatura svih uzoraka identična ili ako se vrijednost odnosi na određenu referentnu temperaturu.

U većini slučajeva upotrebljava se linearna kompenzacija temperature. Rukovatelj mora odabrati 20 °C ili 25 °C kao referentnu temperaturu. Razlika između izmjerene i referentne temperature tada se množi faktorom kompenzacije koji se naziva α (jedinica; %/°C) i koji kompenzira vodljivost.

Kako bi se to pravilno napravilo, potrebno je odrediti linearni koeficijent kompenzacije α za svaki uzorak. Iako se ovisnost o temperaturi smatra linearnom, zapravo taj „linearni” koeficijent sam po sebi ovisi o koncentraciji iona i temperaturi uzorka. Tvornička postavka za α je 2,00 %/°C. U svim mjeračima Five i Seven α se može prilagoditi u rasponu od 0,00 %/°C – što znači da uopće nema kompenzacije temperature – do 10 %/°C.

Centar stručnosti i podrške za pH (pH CSC) tvrtke METTLER TOLEDO okuplja tim stručnjaka za izravnu elektrokemijsku analizu. Zahvaljujući bliskom kontaktu tima s korisnicima, tehničkom podrškom, odjelom za upravljanje proizvodima i odjelom za razvoj proizvoda, mogu dati brze savjete i pružiti učinkovita rješenja, što njihove usluge čini jedinstvenima u svijetu analize pH-vrijednosti.

Ponuda tehničke i aplikacijske podrške obuhvaća sljedeće mjerne parametre i povezanu laboratorijsku opremu za mjerenje pH-vrijednosti tvrtke METTLER TOLEDO:

• pH
• redoks (ORP)
• koncentraciju iona (ISE)
• vodljivost
• otopljeni kisik (DO).