Miten pH-mittari toimii?
Jos käytät lakmuspaperia, tällä ei ole merkitystä. Perusajatuksena on, että paperi muuttuu hieman eriväriseksi liuoksissa pH 1:n ja 14:n välillä, ja vertaamalla paperia värikarttaan voit yksinkertaisesti lukea happamuuden tai emäksisyyden murehtimatta siitä, kuinka monta vetyionia siinä on. Mutta pH-mittarin on jotenkin mitattava vetyionien pitoisuus. Miten se tekee sen?
Hapossa liuoksessa on paljon enemmän positiivisesti varautuneita vetyioneja kuin emäksisessä liuoksessa, joten sillä on suurempi potentiaali tuottaa sähkövirtaa tietyssä tilanteessa – toisin sanoen se on vähän kuin paristo, joka voi tuottaa suuremman jännitteen. pH-mittari hyödyntää tätä ja toimii kuten volttimittari: se mittaa sen liuoksen tuottaman jännitteen (sähköpotentiaalin), jonka happamuudesta olemme kiinnostuneita, vertaa sitä tunnetun liuoksen jännitteeseen ja käyttää niiden välistä jännite-eroa (potentiaalieroa) päättelemään pH-eron.
Mistä se on tehty?
Tyypillisessä pH-mittarissa on kaksi peruskomponenttia: itse mittari, joka voi olla liikkuvan kelan mittari (mittari, jossa on asteikkoa vasten liikkuva osoitin) tai digitaalinen mittari (mittari, jossa on numeerinen näyttö), ja joko yksi tai kaksi anturia, jotka työnnetään testattavaan liuokseen. Jotta sähkö saataisiin kulkemaan jonkin asian läpi, on luotava täydellinen virtapiiri; jotta sähkö saataisiin kulkemaan testiliuoksen läpi, siihen on asetettava kaksi elektrodia (sähköpistoketta).Jos pH-mittarissasi on kaksi anturia (kuten tämän artikkelin yläosassa olevassa kuvassa), kumpikin on erillinen elektrodi; jos sinulla on vain yksi anturi, molemmat kaksielektrodit on rakennettu sen sisään yksinkertaisuuden ja mukavuuden vuoksi.
Elektrodit eivät ole tavallisia elektrodeja (yksinkertaisia metallilangan paloja); kukin elektrodi on oma minikemiallinen kokonaisuutensa. Tärkeintä työtä tekevässä elektrodissa, jota kutsutaan lasielektrodiksi, on hopeapohjainen sähkölanka, joka on ripustettu kaliumkloridiliuokseen, joka on ohuen, metallisuoloja (tyypillisesti natrium- ja kalsiumyhdisteitä) sisältävästä erikoislasista valmistetun polttimon (tai kalvon) sisällä. Toista elektrodia kutsutaan vertailuelektrodiksi, ja siinä on kaliumkloridilangat suspendoituna kaliumkloridiliuokseen.
Artwork: pH-mittarin tärkeimmät osat: (1) Testattava liuos; (2) lasielektrodi, joka koostuu (3) metallisuoloja sisältävästä ohuesta piilasikerroksesta, jonka sisällä on kaliumkloridiliuos (4) ja hopeasta/hopeakloridista valmistettu sisäelektrodi (5). (6) Testiliuoksessa muodostuvat vetyionit ovat vuorovaikutuksessa lasin ulkopinnan kanssa. (7) Kaliumkloridiliuoksessa muodostuneet vetyionit ovat vuorovaikutuksessa lasin sisäpinnan kanssa. (8) Mittari mittaa lasin kahden puolen välisen jännite-eron ja muuntaa tämän ”potentiaalieron” pH-lukemaksi. (9) Vertailuelektrodi toimii mittauksen perusviivana tai vertailukohtana – tai voit ajatella sen yksinkertaisesti täydentävän virtapiiriä.
Miten se toimii?
Lasielektrodin sisällä oleva kaliumkloridi (kuvassa oranssilla värillä) on neutraali liuos, jonka pH on 7, joten se sisältää tietyn määrän vetyioneja (H+). Oletetaan, että testaamasi tuntematon liuos (sininen) on paljon happamampi, joten se sisältää paljon enemmän vetyioneja.Lasielektrodi mittaa oranssin liuoksen ja sinisen liuoksen välisen pH-eron mittaamalla niiden vetyionien tuottamien jännitteiden eron.Koska tiedämme oranssin liuoksen pH:n (7), voimme selvittää sinisen liuoksen pH:n.
Animointi: Ioninvaihto toiminnassa.
Miten se kaikki toimii? Kun kastat kaksi elektrodia siniseen testiliuokseen, osa vetyioneista siirtyy kohti lasielektrodin ulkopintaa ja korvaa osan sen sisällä olevista metalli-ioneista, kun taas osa metalli-ioneista siirtyy lasielektrodista siniseen liuokseen. Tätä ioninvaihtoprosessia kutsutaan ioninvaihdoksi, ja se on avain lasielektrodin toimintaan. Ioninvaihtoa tapahtuu myös lasielektrodin sisäpinnalla oranssista liuoksesta.Lasin kummallakin puolella olevat kaksi liuosta ovat happamuudeltaan erilaisia, joten lasin kummallakin puolella tapahtuu erilainen määrä ioninvaihtoa.Tämä luo eriasteisen vetyionien aktiivisuuden lasin kummallekin pinnalle, mikä tarkoittaa, että niihin kertyy erilainen määrä sähkövarausta.Tämä varausero tarkoittaa, että lasin kahden puolen välille syntyy pieni jännite (jota kutsutaan joskus potentiaalieroksi, tyypillisesti muutama kymmenen tai satoja millivolttia), joka tuottaa hopeaelektrodin (5) ja vertailuelektrodin (8) välille jännite-eron, joka näkyy mittarissa mittaustuloksena.
Vaikka mittari mittaa jännitettä, se, mitä asteikon (tai digitaalinäytön) osoitin itse asiassa näyttää, on pH-mittaus.Mitä suurempi jännite-ero oranssin (sisäpuolen) ja sinisen (ulkopuolen) liuoksen välillä on, sitä suurempi on vetyionien aktiivisuuden välinen ero.Jos sinisessä liuoksessa on enemmän vetyionien aktiivisuutta, se on happamampi kuin oranssiliuos, ja mittari näyttää tämän alhaisempana pH:na; samalla tavalla, jos sinisessä liuoksessa on vähemmän vetyionien aktiivisuutta, mittari näyttää tämän korkeampana pH:na (emäksisempänä).
Tarkkojen pH-mittausten tekeminen
Jotta pH-mittarit olisivat tarkkoja, ne on kalibroitava oikein(mittari muuntaa jännitemittaukset tarkasti pH-mittauksiksi), joten ne on yleensä testattava ja säädettävä ennen käytön aloittamista. pH-mittari kalibroidaan kastamalla se puskureihin (tunnetun pH:n testiliuokset) ja säätämällä mittari sen mukaan.Toinen tärkeä seikka on se, että näin tehdyt pH-mittaukset riippuvat lämpötilasta. Joissakin mittareissa on sisäänrakennettu lämpömittari, ja ne korjaavat automaattisesti omia pH-mittauksiaan lämpötilan muuttuessa; nämä mittarit ovat parhaita, jos lämpötilan vaihtelut ovat todennäköisiä, kun teet useita eri mittauksia. Vaihtoehtoisesti voit korjata pH-mittauksen itse tai ottaa sen huomioon kalibroimalla laitteesi ja tekemällä pH-mittaukset suunnilleen samassa lämpötilassa.