Urządzenia laboratoryjne do pomiaru pH

Skala pH służy do określania kwasowości lub zasadowości roztworów wodnych. Wartość pH jest skorelowana ze stężeniem (a ściślej – z aktywnością) jonów wodorowych. Roztwory o pH poniżej 7 są kwasowe (mają wysokie stężenie jonów wodorowych), a roztwory o pH powyżej 7 są zasadowe (mają niskie stężenie jonów wodorowych).

Zastosowania pomiaru pH:

• produkcja wyrobów o określonych właściwościach
  
• produkcja wyrobów po niższych kosztach
  
• zapewnianie jakości produktów – w celu zapobiegania szkodom dla ludzi, mienia i środowiska
  
• spełnianie wymogów legislacyjnych;
• ochrona urządzeń
  
• zdobywanie wiedzy na potrzeby prac badawczo-rozwojowych.

Miernik pH (znany również jako pehametr) wykorzystywany jest w rozmaitych branżach:

• farmaceutycznej i biotechnologicznej,
• mleczarskiej,
• oczyszczania gleby i ścieków,
• kosmetycznej,
• filtracji wody,
  
• spożywczej.

Instrumenty do pomiaru pH są też potrzebne poza laboratorium. W grę wchodzą miejsca, w których odbywa się produkcja przemysłowa, lub w jej pobliżu, a także w terenie (w przypadku pomiaru parametrów wody, ścieków, gleby itp.).

Narzędzia niezbędne do pomiaru pH są stosunkowo nieskomplikowane i prawidłowo użytkowane zapewniają wiarygodne pomiary. Typowy instrument laboratoryjny do pomiaru pH składa się z następujących elementów:

• pH-metr: urządzenie do pomiaru potencjałów, które mierzy różnicę napięć między elektrodą szklaną a referencyjną i oblicza wartość pH.
• Czujniki: elektroda odniesienia i elektroda pH do zamknięcia obwodu. Obecnie mogą być ze sobą połączone i wtedy są nazywane zespolonymi elektrodami pH.

Inne wymagane elementy:

• Roztwory wzorcowe: zanim zostanie wykonany pomiar pH próbki, elektrody pH należy poddać wzorcowaniu przy użyciu co najmniej dwóch roztworów referencyjnych o znanych wartościach pH.
• Próbka: to roztwór, na którym ma zostać wykonany pomiar, przy czym musi być roztworem wodnym lub zawierać dostateczną ilość wody, aby pomiar pH był możliwy.

Tak, wartość pH i przewodność są powiązane, ale nie w sposób liniowy czy też bezwzględny.
Czujnik pH reaguje wyłącznie na jony H⁺ w roztworze, natomiast w przypadku przewodności czujniki mierzą aktywność wszystkich jonów (anionów i kationów) obecnych w roztworze. Im wyższe stężenie jonów w roztworze, tym wyższa jego przewodność.

Co więcej, na przewodność dodatnio wpływa ruchliwość jonów. Wśród jonów występujących najczęściej w roztworach najbardziej ruchliwym kationem jest jon wodorowy [H⁺] o przewodności wynoszącej 350 jednostek, a najbardziej ruchliwym anionem jest jon wodorotlenowy [OH^-], którego przewodność wynosi 199 jednostek. Wartości dla innych często spotykanych jonów mieszczą się w przedziale od 40 do 80 jednostek. Oznacza to, że roztwory mocno kwasowe (lub mocno zasadowe) będą się cechować wysoką przewodnością. Ponieważ pH jest miarą stężenia jonów wodorowych, zastosowanie mają poniższe reguły:

• W roztworach kwasowych (pH < 7): im niższa wartość pH (tzn. wyższe stężenie jonów H⁺), tym wyższa przewodność.
  
• W roztworach zasadowych (pH > 7): przewodność rośnie wraz ze wzrostem wartości pH (wzrostem ilości jonów OH^-).
  
• Obojętny odczyn pH (pH = 7) jest efektem jednakowego stężenia jonów H⁺ i OH^-. Nie oznacza to jednak, że roztwór nie zawiera żadnych innych jonów przyczyniających się do przewodności roztworu.
  
  

Rozważmy przykład: wartość pH wody dejonizowanej teoretycznie wynosi 7,0, a jej przewodność wynosi 0,055 µS/cm. Jeśli dodamy do niej soli NaCl, uzyskany roztwór NaCl wciąż będzie obojętny pod względem wartości pH, jednak jego przewodność może być znacznie wyższa stosownie do ilości dodanego NaCl.

Podsumowując: wartości pH i przewodności próbki muszą być oznaczane osobno dla każdej z próbek i teoretycznie mogą nie być skorelowane.

Zmierzone wartości pH zależą od temperatury próbki. Należy zapamiętać poniższe punkty:

a. Wpływ temperatury na nachylenie charakterystyki elektrody:
elektroda pH wprowadza różnicę potencjału (mV) między półogniwem pomiarowym a referencyjnym. Laboratoryjny instrument do pomiaru pH oblicza wartość pH na podstawie tego potencjału z zastosowaniem współczynnika zależności od temperatury -2,3 * R * T / F, gdzie R jest uniwersalną stałą gazową, T jest temperaturą w kelwinach, natomiast F jest stałą Faradaya. Przy 298 K (25°C) współczynnik ten wynosi -59,16 mV/pH. Jest to tak zwane teoretyczne nachylenie charakterystyki elektrody w temperaturze odniesienia (25°C). Analogicznie można obliczyć wartości nachylenia w innych temperaturach. Na przykład: -56,18 mV/pH przy 10°C, -58,17 mV/pH przy 20°C, -60,15 mV/pH przy 30°C itd. Wpływ temperatury na pomiar pH jest korygowany przez automatyczną (ATC) lub ręczną kompensację temperatury (MTC). Dlatego ważne jest, aby znać temperaturę próbki lub używać sondy temperaturowej. Wadliwie ustawiona temperatura wnosi błąd wielkości 0,12 pH na każde 5°C różnicy.

b. Temperatura wpływa na wartość pH próbki:
wartość pH próbki zmienia się wraz z temperaturą. Jest to efekt chemiczny i dlatego specyficzny dla każdego typu próbki. Tego wpływu nie można skompensować; wyświetlana jest rzeczywista wartość pH w rzeczywistej temperaturze. Dlatego ważne jest, aby porównywać tylko te wartości pH, które zostały zmierzone w tej samej temperaturze.

Wyjątek: zależność wartości pH od temperatury w przypadku wielu roztworów buforowych jest zapisana w instrumencie. W rezultacie elektrodę można wzorcować w różnych temperaturach, ponieważ zmierzone potencjały są automatycznie odnoszone do 25°C lub 20°C. Aby skorzystać z tej cechy, należy wybrać właściwą grupę buforów i mierzyć temperaturę podczas wzorcowania.

Pomiar przewodności jest silnie zależny od temperatury (zmiana około 2% na każdy °C). Wyniki można ze sobą porównywać tylko wtedy, gdy temperatura wszystkich próbek jest jednakowa lub gdy wartość ma odniesienie do określonej temperatury odniesienia.

W większości przypadków używana jest liniowa kompensacja temperatury. Operator musi wybrać 20°C albo 25°C jako temperaturę odniesienia. Następnie różnica między temperaturą zmierzoną a temperaturą odniesienia jest mnożona przez współczynnik kompensacji α (jednostka: %/°C), co z kolei służy do kompensacji przewodności.

Aby zostało to zrobione poprawnie, liniowy współczynnik kompensacji α musi zostać wyznaczony osobno do każdej próbki. Chociaż zależność od temperatury jest traktowana jako liniowa, w rzeczywistości ten „liniowy” współczynnik sam jest zależny od stężenia jonów i temperatury próbki. Współczynnik α jest ustawiony fabrycznie na 2,00 %/°C. We wszystkich miernikach Five i Seven współczynnik α można regulować w zakresie od wartości 0,00 %/°C, która oznacza całkowity brak kompensacji temperatury, do 10 %/°C.

W centrum wsparcia i kompetencji w zakresie pomiaru pH (pH CSC) METTLER TOLEDO pracuje zespół ekspertów w dziedzinie bezpośredniej analizy elektrochemicznej. Ponieważ zespół ten ściśle współpracuje z klientami oraz działami obsługi technicznej, zarządzania produktem i rozwoju produktu, centrum może służyć szybkimi poradami i skutecznymi rozwiązaniami, co sprawia, że obsługa jest wyjątkowa w sferze pomiarów pH.

Oferowana pomoc techniczna i aplikacyjna dotyczy następujących mierzonych parametrów (oraz powiązanych urządzeń laboratoryjnych METTLER TOLEDO do pomiaru pH):

• pH,
• redoks (ORP),
• stężenie jonów (ISE),
• przewodność,
• zawartość tlenu rozpuszczonego (DO).