Jak funguje pH metr?
Pokud používáte lakmusový papírek, na ničem z toho nezáleží. Základní myšlenka spočívá v tom, že papír se v roztocích s pH 1 až 14 zbarví mírně odlišně a porovnáním papíru s barevnou tabulkou můžete jednoduše odečíst kyselost nebo zásaditost, aniž byste se museli starat o to, kolik je v něm vodíkových iontů. Ale pH-metr musí nějakým způsobem měřit koncentraci vodíkových iontů. Jak to dělá?“
Kyselý roztok má v sobě mnohem více kladně nabitých vodíkových iontů než zásaditý, takže má větší potenciál produkovat v určité situaci elektrický proud – jinými slovy, je to trochu jako baterie, která může produkovat větší napětí. pHmetr toho využívá a funguje jako voltmetr: měří napětí (elektrický potenciál) produkované roztokem, jehož kyselost nás zajímá, porovnává ho s napětím známého roztoku a z rozdílu napětí („rozdílu potenciálů“) mezi nimi odvozuje rozdíl pH.
Z čeho se skládá?
Typický pH-metr má dvě základní součásti: samotný měřič, což může být měřič s pohyblivou cívkou (měřič s ukazatelem, který se pohybuje proti stupnici) nebo digitální měřič (měřič s číselným displejem), a jednu nebo dvě sondy, které se vkládají do testovaného roztoku. Chcete-li, aby něčím protékala elektřina, musíte vytvořit úplný elektrický obvod; aby tedy testovacím roztokem protékala elektřina, musíte do něj vložit dvě elektrody (elektrické svorky).Pokud má váš pH-metr dvě sondy (jako ta na fotografii v horní části tohoto článku), je každá z nich samostatnou elektrodou; pokud máte pouze jednu sondu, jsou v ní pro jednoduchost a pohodlí zabudovány obě dvěelektrody.
Elektrody nejsou jako běžné elektrody (jednoduché kusy kovového drátu); každá z nich je samostatnou mini chemickou soupravou. Elektroda, která vykonává nejdůležitější práci a která se nazývá skleněná elektroda, má elektrický drát na bázi stříbra zavěšený v roztoku chloridu draselného, který se nachází uvnitř tenké baňky (nebo membrány) vyrobené ze speciálního skla obsahujícího soli kovů (obvykle sloučeniny sodíku a vápníku). Druhá elektroda se nazývá referenční elektroda a má drátek z chloridu draselnéhozavěšený v roztoku chloridu draselného.
Práce: Klíčové části pH-metru: (1) Testovaný roztok; (2) Skleněná elektroda sestávající z (3) tenké vrstvy křemenného skla obsahující soli kovů, uvnitř které je roztok chloridu draselného (4) a vnitřní elektroda (5) vyrobená ze stříbra/chloridu stříbrného. (6) Vodíkové ionty vytvořené ve zkušebním roztoku interagují s vnějším povrchem skla. (7) Vodíkové ionty vytvořené v roztoku chloridu draselného interagují s vnitřním povrchem skla. (8) Měřič měří rozdíl napětí mezi oběma stranami skla a převádí tento „rozdíl potenciálů“ na údaj pH. (9) Referenční elektroda slouží jako základní nebo referenční hodnota pro měření – nebo si ji můžete představit jako prosté doplnění obvodu.
Jak to funguje?
Chlorid draselný uvnitř skleněné elektrody (na obrázku zbarvený oranžově) je neutrální roztok s pH 7, takže obsahuje určité množství vodíkových iontů (H+). Předpokládejme, že neznámý roztok, který testujete (modrý), je mnohem kyselejší, takže obsahuje mnohem více vodíkových iontů.
Skleněná elektroda slouží k měření rozdílu pH mezi oranžovým roztokema modrým roztokem tím, že měří rozdíl napětí, které jejich vodíkové ionty vytvářejí.
Protože známe pH oranžového roztoku (7), můžeme zjistit pH modrého roztoku.
Animace: Iontová výměna v akci.
Jak to všechno funguje? Když ponoříte obě elektrody do modrého testovacího roztoku, část vodíkových iontů se přesune směrem k vnějšímu povrchu skleněné elektrody a nahradí část kovových iontů uvnitř ní, zatímco část kovových iontů se přesune ze skleněné elektrody do modrého roztoku. Tento proces výměny iontů se nazývá iontová výměna a je klíčem k tomu, jak skleněná elektroda funguje. K výměně iontů dochází také na vnitřním povrchu skleněné elektrody z oranžového roztoku. oba roztoky na obou stranách skla mají různou kyselost, takže na obou stranách skla dochází k různě velké výměně iontů. to vytváří různý stupeň aktivity vodíkových iontů na obou površích skla, což znamená, že se na nich vytváří různé množství elektrického náboje.Tento rozdíl nábojů znamená, že mezi oběma stranami skla vzniká malé napětí (někdy se nazývá rozdíl potenciálů, obvykle několik desítek nebo stovek milivoltů), které vytváří rozdíl napětí mezi stříbrnou elektrodou (5) a referenční elektrodou (8), který se projeví jako měření na měřidle.
Ačkoli měřič měří napětí, to, co nám ve skutečnosti ukazuje ručička na stupnici(nebo digitálním displeji), je měření pH.Čím větší je rozdíl napětí mezi oranžovým (vnitřním) a modrým (vnějším) roztokem, tím větší je rozdíl v aktivitě vodíkových iontů mezi nimi.Pokud je v modrém roztoku větší aktivita vodíkových iontů, je roztok kyselejší než oranžový a měřič to ukazuje jako nižší pH; stejně tak pokud je v modrém roztoku menší aktivita vodíkových iontů, měřič to ukazuje jako vyšší pH (zásaditější).
Přesné měření pH
Aby byly pH-metry přesné, musí být správně kalibrovány(měřič přesně převádí měření napětí na měření pH), takže je obvykle potřeba je otestovat a nastavit, než je začnete používat. Kalibraci pH-metru provedete tak, že jej ponoříte do pufrů (testovacích roztoků o známém pH) a podle toho přístroj nastavíte.Dalším důležitým faktorem je, že takto provedená měření pH závisí na teplotě. Některé měřiče mají vestavěné teploměry a automaticky korigují svá vlastní měření pH podle toho, jak se mění teplota; ty jsou nejlepší, pokud je pravděpodobné, že během provádění řady různých měření dojde ke kolísání teploty. Případně můžete měření pH korigovat sami nebo to umožnit kalibrací přístroje a měřením pH při zhruba stejné teplotě.
.