การวัดค่า pH - คู่มือทฤษฎี pH

ทำไมเราจึงแยกประเภทของเหลวที่ใช้งานทุกวันอย่างเช่น น้ำส้มสายชู เป็นกรด เหตุผลในเรื่องนี้คือ น้ำส้มสายชูประกอบด้วยไฮโดรเนียมไอออนที่มากเกินไป (H₃O⁺) และปริมาณไฮโดรเนียมไอออนที่มากเกินไปในสารละลายนี้ทำให้เกิดสภาพความเป็นกรด ในกรณีที่มีไฮดรอกซิลไอออนที่มากเกินไป (OH^–) ของเหลวชนิดนั้นจะมีสภาพเป็นด่าง ในน้ำบริสุทธิ์ ไฮโดรเนียมไอออนถูกทำให้เป็นกลางทั้งหมดด้วยไฮดรอกซิลไอออน และเราเรียกสารละลายชนิดนี้ว่ามีค่า pH เป็นกลาง

H₃O⁺ + OH^– ↔ 2 H₂O

ภาพที่ 1

ปฏิกิริยาของน้ำในรูปของกรดและด่าง หากโมเลกุลของสารปล่อยไฮโดรเจนไอออนหรือโปรตอนผ่านทางการแตกตัว เราเรียกสารชนิดนี้เป็นกรด และสารละลายมีสภาวะความเป็นกรด ตัวอย่างของกรดที่รู้จักกันดีโดยส่วนใหญ่ อย่างเช่น กรดไฮโดรคลอริก กรดซัลฟุริก และกรดอะซีติก หรือน้ำส้มสายชู การแตกตัวของน้ำส้มสายชูแสดงตามด้านล่างนี้:

CH₃COOH + H₂O ↔ CH₃COO^– + H₃O⁺

ภาพที่ 2 การแตกตัวของกรดอะซีติก

ไม่ใช่กรดทุกชนิดจะมีความแรงเท่ากัน แน่นอนว่าระดับความเป็นกรดของสารละลายนั้น กำหนดโดยจำนวนไฮโดรเจนไอออนโดยรวมในสารละลาย จากนั้น กำหนดค่า pH จากลอการิทึมจำนวนลบของความเข้มข้นไฮโดรเจนไอออน (เพื่อให้แม่นยำ วัดค่าโดยดูจากกิจกรรมของไฮโดรเจนไอออน ดูบทที่ 4.2 สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับกิจกรรมของไฮโดรเจนไอออน)

pH = –log [H₃O⁺]

ภาพที่ 3 สูตรสำหรับการคำนวณค่า pH จากความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออน

ความแตกต่างเชิงปริมาณระหว่างสารที่มีความเป็นกรดและสารที่มีความเป็นด่างสามารถวัดค่าได้โดยการดำเนินการวัดค่า pH ตัวอย่างค่า pH สารและสารเคมีที่ใช้ในชีวิตประจำวันมีให้ในภาพที่ 4:

... อ่านเพิ่มเติมใน คู่มือทฤษฎี pH ....

1.1.   ความเป็นกรดหรือความเป็นด่าง
1.2.   เหตุใดจึงวัดค่า pH
1.3.   เครื่องมือสำหรับการวัดค่า pH
         a) อิเล็กโทรดวัดค่า pH
         b) อิเล็กโทรดอ้างอิง
         c) อิเล็กโทรดรวม
1.4.   คู่มือภาคปฏิบัติเพื่อการวัดค่า pH ที่ถูกต้อง
         a) การเตรียมตัวอย่าง
         b) การสอบเทียบ
         c) อิเล็กโทรดวัดค่า pH
         d) ความถูกต้องในการวัดค่าที่คาดหวัง
1.5   คู่มือการวัดค่า pH ทีละขั้นตอน

.. อ่านเพิ่มเติมใน คู่มือทฤษฎี pH ....

2.1.     จุดเชื่อมต่อชนิดต่างๆ
           a) จุดเชื่อมต่อเซรามิค
           b) จุดเชื่อมต่อแบบ Sleeve / ground glass
           c) จุดเชื่อมต่อแบบเปิด
2.2.     ระบบและอิเล็กโทรไลต์อ้างอิง
2.3.     ประเภทของเมมเบรนแก้วและรูปทรงเมมเบรน
2.4.     อิเล็กโทรดวัดค่า pH สำหรับการใช้งานเฉพาะ
           ตัวอย่างที่ง่าย
           ตัวอย่างที่สกปรก
           อิมัลชั่น
           ตัวอย่างกึ่งของแข็งหรือของแข็ง
           ตัวอย่างแบบแบนและตัวอย่างที่เล็กมาก
           ตัวอย่างขนาดเล็กและภาชนะใส่ตัวอย่างที่ยุ่งยาก
           InLab^®Power (Pro)
2.5.     การบำรุงรักษาอิเล็กโทรด
2.6.     การจัดเก็บอิเล็กโทรด
           การจัดเก็บระยะสั้น
           การจัดเก็บระยะยาว
           เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ
2.7.     การทำความสะอาดอิเล็กโทรด
           การอุดตันด้วยซิลเวอร์ซัลไฟด์ (Ag2S)
           การอุดตันด้วยซิลเวอร์คลอไรด์ (AgCl)
           การอุดตันด้วยโปรตีน
           การอุดตันอื่นๆ ของหัวต่อ
2.8.     การปรับสภาพอิเล็กโทรดและอายุการใช้งาน
2.9.     ข้อมูลเพิ่มเติม

ปัญหาที่เกิดขึ้นในระหว่างการวัดค่า pH อาจมีสาเหตุที่แตกต่างกัน ตั้งแต่เครื่องวัดค่า สายเคเบิลและอิเล็กโทรด ไปจนถึงสารละลายบัฟเฟอร์ การวัดค่าอุณหภูมิและตัวอย่าง (การใช้งาน) ควรจดบันทึกเป็นพิเศษถึงอาการของปัญหา เนื่องจากข้อมูลนี้จะเป็นประโยชน์ในการค้นหาสาเหตุที่แท้จริงของความผิดพลาด ตารางต่อไปนี้ให้ภาพรวมของอาการและสาเหตุ

ค่าที่อ่านได้สูงเกินไป/ต่ำเกินไป หรืออยู่นอกช่วงค่า “---”

• ตรวจสอบเครื่องวัดค่า สายเคเบิล อิเล็กโทรด ขั้นตอนการสอบเทียบ และอุณหภูมิของตัวอย่าง
  

ค่าไม่เปลี่ยนแปลง

• ตรวจสอบเครื่องวัดค่า สายเคเบิล และอิเล็กโทรด
  

เวลาตอบสนองช้า

• ตรวจสอบอิเล็กโทรดและตัวอย่าง/การใช้งาน
  

ออฟเซ็ตสูงหลังการสอบเทียบ

• ตรวจสอบอิเล็กโทรด สารละลายบัฟเฟอร์ และขั้นตอนการสอบเทียบ
  

ความชันต่ำหลังการสอบเทียบ

• ตรวจสอบอิเล็กโทรด สารละลายบัฟเฟอร์ และขั้นตอนการสอบเทียบ
  

ความผิดพลาดของการปรับเทียบ

• ตรวจสอบเครื่องวัดค่า สายเคเบิล อิเล็กโทรด สารละลายบัฟเฟอร์ และขั้นตอนการสอบเทียบ
  

ค่าการวัดคลาดเคลื่อน

• ตรวจสอบอิเล็กโทรดและตัวอย่าง/การใช้งาน

... อ่านเพิ่มเติมใน คู่มือทฤษฎี pH ....

3.1.     การตรวจสอบเครื่องวัดค่าและสายเคเบิล
3.2.     การตรวจสอบอุณหภูมิของตัวอย่างและการใช้งาน
3.3.     การตรวจสอบบัฟเฟอร์และขั้นตอนการสอบเทียบ
           เคล็ดลับบางประการเพื่อการใช้งานบัฟเฟอร์
3.4.     การตรวจสอบอิเล็กโทรด

ในส่วนก่อนหน้าได้กล่าวถึงการวัดค่า pH ในแง่ปฏิบัติ บทนี้จะกล่าวถึงหลักการกับความรู้พื้นฐานทางทฤษฎีในการวัดค่า pH และเหมาะสำหรับผู้อ่านที่ต้องการได้รับ
ความเข้าใจพื้นฐานเพิ่มเติมในทฤษฎี pH

ในช่วงแรกเราจะกล่าวถึงทฤษฎี pH พื้นฐานที่พัฒนาขึ้น จากนั้น เราจะดูไปที่ทฤษฎีเซ็นเซอร์ และในท้ายที่สุด เราจะกล่าวถึงหัวข้อพิเศษเฉพาะบางอย่าง

4.1. คำนิยามของค่า pH

Sørenson ได้กำหนดให้ค่า pH มีค่าเท่ากับลอการิทึมจำนวนลบของความเข้มข้นไอออน H₃O⁺ :

pH = –log [H₃O⁺]

จากสมการนี้ เราจะเห็นว่าหากความเข้มข้นไอออน H₃O⁺ เปลี่ยนแปลงไปสิบค่า ค่า pH จะเปลี่ยนแปลงไปหนึ่งหน่วย สมการนี้ช่วยให้มองเห็นถึงระดับความสำคัญในความสามารถวัดค่าแม้จะมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในค่า pH ของตัวอย่าง
บ่อยครั้งแล้ว ทฤษฎี pH อธิบายด้วยจำนวนไอออน H⁺ เชื่อมโยงกับค่า pH แม้ว่าไอออนที่ถูกต้องที่อ้างถึงเป็นไฮโดรเนียม (หรือตามที่เรียกชื่อกันเป็นทางการตาม IUPAC: ออกโซเนียม) ไอออน (H₃O⁺):

H⁺ + H₂O ↔ H₃O⁺

ไม่เพียงกรดและด่างเท่านั้นที่แสดงพฤติกรรมการแตกตัวเพื่อสร้างไฮโดรเนียมไอออนหรือไฮดรอกไซด์ไอออน แต่น้ำบริสุทธิ์ยังแตกตัวเพื่อสร้างไฮโดรเนียมและไฮดรอกไซด์ไอออนเช่นกัน:

2 H₂O ↔ H₃O⁺ + OH^–

... อ่านเพิ่มเติมใน คู่มือทฤษฎี pH ....

4.1.     คำนิยามของค่า pH
4.2.     ความสัมพันธ์ของความเข้มข้นและกิจกรรม
4.3.     สารละลายบัฟฟอร์
           ความจุบัฟเฟอร์ (ß)
           ค่าการเจือจาง (ΔpH)
           ผลกระทบอุณหภูมิ (ΔpH/ΔT)
4.4.     ห่วงโซ่การวัดค่าในการกำหนดการวัดค่า pH
           อิเล็กโทรดวัดค่า pH
           อิเล็กโทรดอ้างอิง
4.5.     การสอบเทียบ/การปรับตั้งค่าของการวัดค่า pH
4.6.     อิทธิพลของอุณหภูมิต่อการวัดค่า pH
           ความเกี่ยวข้องของอุณหภูมิของอิเล็กโทรด
           จุดตัดไอโซเทอร์มัล
           ปรากฏการณ์อุณหภูมิเพิ่มเติม
           ความเกี่ยวข้องของอุณหภูมิของตัวอย่างที่วัดค่า
4.7.     ปรากฏการณ์ในกรณีของการวัดค่าสารละลายพิเศษ
           ข้อผิดพลาดของความเป็นด่าง
           ข้อผิดพลาดของความเป็นกรด
           ปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์อ้างอิง
           สารตัวกลางอินทรีย์