Hvordan fungerer et pH-meter?
Hvis du bruger lakmuspapir, er alt dette ligegyldigt. Den grundlæggende idé er, at papiret får en lidt forskellig farve i opløsninger mellem pH 1 og 14, og ved at sammenligne papiret med et farveskema kan du simpelthen aflæse surhedsgraden eller alkaliniteten uden at bekymre dig om, hvor mange hydrogenioner der er. Men en pH-måler skal på en eller anden måde måle koncentrationen af hydrogenioner. Hvordan gør den det?
En sur opløsning har langt flere positivt ladede hydrogenioner i sig end en basisk opløsning, så den har større potentiale til at producere en elektrisk strøm i en bestemt situation – med andre ord er den lidt ligesom et batteri, der kan producere en større spænding. Et pH-meter udnytter dette og fungerer som et voltmeter: det måler den spænding (elektrisk potentiale), der produceres af den opløsning, hvis surhedsgrad vi er interesseret i, sammenligner den med spændingen i en kendt opløsning og bruger forskellen i spænding (den “potentielle forskel”) mellem dem til at udlede forskellen i pH.
Hvad er det lavet af?
En typisk pH-måler har to grundlæggende komponenter: selve måleren, som kan være en måler med bevægelig spole (en måler med en viser, der bevæger sig mod en skala) eller en digital måler (en måler med et numerisk display), og enten en eller to sonder, som du indsætter i den opløsning, du tester. For at få elektricitet til at strømme gennem noget skal man skabe et komplet elektrisk kredsløb; for at få elektricitet til at strømme gennem testopløsningen skal man således sætte to elektroder (elektriske klemmer) ind i den.Hvis din pH-måler har to sonder (som den på billedet øverst i denne artikel), er hver elektrode en separat elektrode; hvis du kun har én sonde, er begge de to elektroder indbygget i den for at gøre det enkelt og bekvemt.
Elektroderne er ikke som normale elektroder (simple stykker metaltråd); hver elektrode er et kemisk minisæt i sig selv. Den elektrode, der udfører den vigtigste opgave, som kaldes glaselektroden, har en sølvbaseret elektrisk ledning, der er ophængt i en opløsning af kaliumchlorid, og som er indeholdt i en tynd pære (eller membran) af et specialglas, der indeholder metalsalte (typisk forbindelser af natrium og calcium). Den anden elektrode kaldes referenceelektroden og har en kaliumkloridtråd, der er suspenderet i en opløsning af kaliumklorid.
Arbejde: De vigtigste dele af et pH-meter: (1) Opløsning, der testes; (2) Glaselektrode, bestående af (3) et tyndt lag silicaglas indeholdende metalsalte, hvori der er en kaliumchloridopløsning (4) og en indre elektrode (5) fremstillet af sølv/sølvchlorid. (6) Hydrogenioner, der dannes i testopløsningen, vekselvirker med glassets ydre overflade. (7) Hydrogenioner, der dannes i kaliumchloridopløsningen, vekselvirker med glassets indvendige overflade. (8) Måleren måler spændingsforskellen mellem de to sider af glasset og omdanner denne “potentialforskel” til en pH-måling. (9) Referenceelektroden fungerer som en basislinje eller reference for målingen – eller du kan tænke på den som en simpel afslutning af kredsløbet.
Hvordan virker det?
Kaliumkloridet inde i glaselektroden (her vist orangefarvet) er en neutral opløsning med en pH-værdi på 7, så den indeholder en vis mængde hydrogenioner (H+). Antag, at den ukendte opløsning, du tester (blå), er meget mere sur, så den indeholder meget flere hydrogenioner.Det, glaselektroden gør, er at måle forskellen i pH mellem den orange opløsningog den blå opløsning ved at måle forskellen i de spændinger, som deres hydrogenioner producerer.Da vi kender pH-værdien af den orange opløsning (7), kan vi regne pH-værdien af den blå opløsning ud.
Animation: Ionbytning i aktion.
Hvordan fungerer det hele? Når du dypper de to elektroder i den blå testopløsning, bevæger nogle af hydrogenionerne sig mod glaselektrodens ydre overflade og erstatter nogle af metalionerne inde i den, mens nogle af metalionerne bevæger sig fra glaselektroden ud i den blå opløsning. Denne ionudvekslingsproces kaldes ionudveksling, og den er nøglen til, hvordan en glaselektrode fungerer. Ionbytning finder også sted på glaselektrodens indvendige overflade fra den orange opløsning. de to opløsninger på hver side af glasset har forskellig surhedsgrad, så der finder en forskellig mængde ionbytning sted på de to sider af glasset. dette skaber en forskellig grad af hydrogen-ionaktivitet på de to overflader af glasset, hvilket betyder, at der opbygges en forskellig mængde elektrisk ladning på dem.Denne ladningsforskel betyder, at der opstår en lille spænding (undertiden kaldet en potentialforskel, typisk nogle få ti eller hundrede millivolt) mellem de to sider af glasset, hvilket giver en spændingsforskel mellem sølvelektroden (5) og referenceelektroden (8), der viser sig som en måling på måleren.
Selv om måleren måler spænding, er det, som viseren på skalaen (eller det digitale display) faktisk viser os, en pH-måling.Jo større forskellen i spænding mellem den orange (indvendige) og blå (udvendige)opløsning er, jo større er forskellen i hydrogenionaktivitet mellem.Hvis der er mere hydrogenionaktivitet i den blå opløsning, er den mere sur end den orangefarvede opløsning, og måleren viser dette som en lavere pH-værdi; på samme måde viser måleren, hvis der er mindre hydrogenionaktivitet i den blå opløsning, dette som en højere pH-værdi (mere basisk).
Gennemførelse af nøjagtige pH-målinger
For at pH-målere kan være nøjagtige, skal de være korrekt kalibreret (måleren omsætter nøjagtigt spændingsmålinger til pH-målinger), så de skal normalt testes og justeres, før du begynder at bruge dem. Man kalibrerer en pH-måler ved at dyppe den i buffere (testopløsninger med kendt pH-værdi) og justere måleren i overensstemmelse hermed.En anden vigtig faktor er, at pH-målinger, der foretages på denne måde, er afhængige af temperaturen. Nogle målere har indbyggede termometre og korrigerer automatisk deres egne pH-målinger, når temperaturen ændrer sig. Disse er bedst, hvis der sandsynligvis vil forekomme temperaturudsving, mens du foretager en række forskellige målinger. Alternativt kan du selv korrigere pH-målingen eller tage højde for det ved at kalibrere dit instrument og foretagepH-målinger ved stort set samme temperatur.