 |
Správne a presné merania pH závisia od spoľahlivých prístrojov a elektród. Správny výber zariadení, správna manipulácia a údržba sú kľúčovými faktormi na dosiahnutie optimálnych výsledkov a predĺženie životnosti zariadenia. |
Táto príručka k teórii merania pH ponúka jasný a praktický opis spôsobov merania pH v laboratóriách a v teréne. Pre dôležité body uvádzame množstvo tipov a súčasťou opisu celého merania je teoretický opis meraní kyslosti a zásaditosti. Pozornosť je venovaná aj rôznym druhom dostupných elektród na meranie pH a kritériám výberu správnej elektródy
vzhľadom na špecifickú vzorku.
Obsah:
- Úvod k meraniu pH.
- Výber elektródy a manipulácia s ňou
- Príručka na riešenie problémov s meraniami pH
- Komplexná teória merania pH
Zobrazenie ukážky príručky k teórii merania pH:
1. Úvod k meraniu pH
Z akého dôvodu klasifikujeme každodenne kvapalinu, ako je napríklad ocot, ako kyslú? Dôvod je ten, že ocot obsahuje nadbytok iónov hydronia (H3O+) a práve v dôsledku tohto nadbytku iónov hydronia v roztoku má ocot kyslý charakter. Nadbytok hydroxylových iónov (OH–) zas vedie k tomu, že je konkrétna látka zásaditá. V čistej vode sú ióny hydronia neutralizované hydroxylovými iónmi a tento roztok má hodnotu pH, ktorú nazývame neutrálnou.
H3O+ + OH– ↔ 2 H2O
Obrázok 1.
Výsledkom vzájomnej reakcie kyseliny a zásady je voda. Ak molekuly látky uvoľňujú hydrogénové ióny alebo protóny formou rozkladu, túto látku nazývame kyselinou a roztok bude mať kyslý charakter. Najznámejšími kyselinami sú kyselina chlorovodíková, kyselina sírová a kyselina octová alebo ocot. Rozklad octu je uvedený nižšie:
CH3COOH + H2O ↔ CH3COO– + H3O+
Obrázok 2. Rozklad kyseliny octovej.
Nie všetky kyseliny sú rovnako silné. Intenzita kyslosti látky sa určuje podľa celkového počtu hydrogénových iónov v roztoku. Hodnota pH sa následne definuje ako záporný logaritmus koncentrácie hydrogénových iónov. (Presnejšie – je určená aktivitou hydrogénových iónov. Ďalšie informácie o aktivite hydrogénových iónov nájdete v kapitole 4.2.).
pH = –log [H3O+]
Obrázok 3. Vzorec na výpočet hodnoty pH z koncentrácie iónov hydronia.
Kvantitatívny rozdiel medzi kyslými a zásaditými látkami je možné určiť použitím meraní hodnoty pH. Obrázok 4 obsahuje niekoľko príkladov hodnôt pH každodenne používaných látok a chemikálií:
… ďalšie informácie nájdete v príručke k teórii merania pH…
1.1. Kyslá alebo zásaditá látka
1.2. Prečo sa merajú hodnoty pH?
1.3. Nástroje na merania pH
a) Elektróda na meranie pH
b) Referenčné elektródy
c) Kombinované elektródy
1.4. Praktická príručka ku správnym meraniam pH
a) Príprava vzoriek
b) Kalibrácia
c) Elektróda na meranie pH
d) Predpokladaná presnosť merania
1.5 Podrobný postup meraní pH
2. Výber elektródy a manipulácia s ňou
Na optimálne merania hodnôt pH je najprv potrebné vybrať správnu elektródu.
Najdôležitejšie kritériá, ktoré sa týkajú vzoriek, sú tieto: chemické zloženie, homogenita, teplota, rozsah pH a veľkosť nádoby (obmedzenia týkajúce sa dĺžky a šírky). Tento výber nadobúda zásadnú dôležitosť pri nevodných vzorkách, vzorkách s nízkou vodivosťou, vysokým obsahom bielkovín a viskozitou, pri ktorých univerzálne sklenené elektródy podliehajú rôznym podnetom, vedúcim k potenciálnemu vzniku chýb.
Čas odozvy a presnosť elektródy ovplyvňuje viacero faktorov. Merania pri extrémnych hodnotách pH a teplotách či nízkej vodivosti môžu trvať dlhšie, ako merania vodných roztokov s neutrálnym pH pri izbovej teplote.
Význam rôznych typov vzoriek je uvedený nižšie. Základným parametrom je prihliadnutie na charakteristiky rôznych elektród. Táto kapitola obsahuje najmä informácie o kombinovaných elektródach na meranie pH.
a) Keramické spojky
Otvor, ktorý referenčná časť elektródy na meranie pH obsahuje na zachovanie
kontaktu so vzorkou, môže mať niekoľko odlišných tvarov. Tieto
tvary sa časom vyvíjali z dôvodu rôznych požiadaviek na
elektródy počas merania rôznych vzoriek. Štandardná spojka
predstavuje najjednoduchšiu spojku a je známa pod názvom keramická spojka. Skladá sa z
kusa pórovitého keramického materiálu, ktorý sa nachádza vnútri skleneného tela
elektródy. Tento pórovitý materiál umožňuje elektrolytu
pomaly – nie však úplne voľne – vytekať von z elektródy.
Tento druh spojky je mimoriadne vhodný na použitie v rámci štandardných meraní vo vodných
roztokoch. Príkladom takejto elektródy je elektróda InLab® Routine Pro
od spoločnosti METTLER TOLEDO. Schematický nákres princípu tejto spojky
je uvedený nižšie na obrázku 14.
… ďalšie informácie nájdete v príručke k teórii merania pH…
2.1. Rôzne druhy spojok
a) Keramické spojky
b) Manžetové spojky/okrúhle sklenené spojky
c) Otvorené spojky
2.2. Referenčné systémy a elektrolyty
2.3. Typy membránových skiel a membránových tvarov
2.4. Elektródy na meranie pH na špecifické aplikácie
Jednoduché vzorky
Znečistené vzorky
Emulzie
Polotuhé alebo tuhé vzorky
Ploché vzorky a veľmi malé vzorky
Nádoby s malými a náročnými vzorkami
InLab® Power (Pro)
2.5. Údržba elektród
2.6. Skladovanie elektród
Krátkodobé skladovanie
Dlhodobé skladovanie
Snímače teploty
2.7. Čistenie elektród
Upchanie sulfidom strieborným (Ag2S)
Upchanie chloridom strieborným (AgCl)
Upchanie bielkovinami
Iné upchania spojky
2.8. Regenerácia a životnosť elektród
2.9. Ďalšie informácie
3. Príručka na riešenie problémov s meraniami pH
Problémy, ku ktorým dochádza počas meraní pH, môžu vznikať z rôznych príčin. Môžu vzniknúť v meracom prístroji, kábli a elektróde, tlmivých roztokoch, teplote merania a aplikácii vzorky. Je vhodné, aby ste si zaznamenali poznámku týkajúcu sa symptómov problému. Takéto poznámky často slúžia ako vhodný nástroj na zistenie pôvodu chyby. Nasledujúca tabuľka obsahuje prehľad symptómov a príčin:
Príliš vysoké/príliš nízke hodnoty alebo hodnoty, ktoré nie je možné stanoviť „---“
- Skontrolujte merací prístroj, kábel, elektródu, postup kalibrácie a teplotu vzorky
Hodnota sa nemení
- Skontrolujte merací prístroj, kábel a elektródu
Dlhý čas odozvy
- Skontrolujte elektródu a vzorku/aplikáciu
Vysoký posun po kalibrácii
- Skontrolujte elektródu, tlmivé roztoky a postup kalibrácie
Nízky sklon po kalibrácii
- Skontrolujte elektródu, tlmivé roztoky a postup kalibrácie
Chyba kalibrácie
- Skontrolujte merací prístroj, kábel, elektródu, tlmivé roztoky a postup kalibrácie
Odchýlky hodnôt merania
- Skontrolujte elektródu a vzorku/aplikáciu
… ďalšie informácie nájdete v príručke k teórii merania pH…
3.1. Kontrola meracieho prístroja a kábla
3.2. Kontrola teploty vzorky a aplikácie
3.3. Kontrola tlmivých roztokov a postupu kalibrácie
Niekoľko tipov na používanie tlmivých roztokov
3.4. Kontrola elektródy
4. Komplexná teória merania pH
Predchádzajúce časti obsahovali informácie o praktických aspektoch meraní pH. Táto kapitola obsahuje teoretické základné informácie o meraniach pH a je určená pre čitateľov, ktorých cieľom je
porozumieť fundamentálnym princípom teórie merania pH.
Najskôr uvádzame informácie o základnej teórii merania pH, potom sa zameriavame na teóriu snímačov a nakoniec uvádzame niekoľko špecifických tém.
4.1. Definícia hodnoty pH
Podľa Sørensona je pH definované ako záporný logaritmus koncentrácie iónov H3O+:
pH = –log [H3O+]
Z tejto rovnice je zrejmé, že ak sa koncentrácia iónov H3O+ dekadicky zmení, hodnota pH sa zmení o jednu jednotku. Tento fakt podstatným spôsobom ilustruje dôležitosť merania aj tých najmenších zmien hodnoty pH vzorky.
Teória merania pH sa v spojitosti s hodnotami pH často uvádza použitím iónov H+, aj keď správne uvádzaný ión by mal byť hydronium (alebo jeho oficiálny názov podľa organizácie IUPAC: oxonium) (H3O+):
H+ + H2O ↔ H3O+
Rozklad a následné generovanie hydroniových alebo hydroxidových iónov nevykazujú iba kyseliny a zásady – na hydroniové a hydroxidové ióny sa rozkladá aj čistá voda:
2 H2O ↔ H3O+ + OH–
… ďalšie informácie nájdete v príručke k teórii merania pH…
4.1. Definícia hodnoty pH
4.2. Korelácia koncentrácie a aktivity
4.3. Tlmivé roztoky
Kapacita tlmivého roztoku (ß)
Hodnota riedenia (ΔpH)
Vplyv teploty (ΔpH/ΔT)
4.4. Reťazec meraní v nastavení merania pH
Elektróda na meranie pH
Referenčná elektróda
4.5. Kalibrácia/justáž nastavenia merania pH
4.6. Vplyv teploty na merania pH
Závislosť teploty od elektródy
Priesečník izotermických smerníc
Ďalší tepelný fenomén
Závislosť teploty od meranej vzorky
4.7. Fenomén v prípade špeciálnych meracích roztokov
Chyba kyslého roztoku
Chyba zásaditého roztoku
Reakcie s referenčným elektrolytom
Organické médiá
