Hogyan működik a pH-mérő?
Ha lakmuszpapírt használsz, mindez nem számít. Az alapötlet az, hogy a papír kissé más színűvé válik a pH 1 és 14 közötti oldatokban, és a papírt egy színskálával összehasonlítva egyszerűen leolvashatja a savasságot vagy lúgosságot anélkül, hogy aggódnia kellene, hány hidrogénion van benne. A pH-mérőnek azonban valahogyan mérnie kell a hidrogénionok koncentrációját. Hogyan csinálja ezt?
Egy savas oldatban sokkal több pozitív töltésű hidrogénion van, mint egy lúgosban, így nagyobb potenciállal rendelkezik ahhoz, hogy egy adott helyzetben elektromos áramot termeljen – más szóval, kicsit olyan, mint egy akkumulátor, amely nagyobb feszültséget képes előállítani. A pH-mérő ezt kihasználja, és úgy működik, mint egy voltmérő: méri a feszültséget (elektromos potenciált), amelyet az az oldat termel, amelynek savassága érdekel minket, összehasonlítja egy ismert oldat feszültségével, és a kettő közötti feszültségkülönbségből (a “potenciálkülönbségből”) következtet a pH-különbségre.
Miből áll?
Egy tipikus pH-mérő két alapvető összetevőből áll: maga a mérő, amely lehet mozgó tekercses mérő (olyan, amelynek mutatója egy skálához képest mozog) vagy digitális mérő (numerikus kijelzővel), és egy vagy két szonda, amelyet a vizsgálandó oldatba helyezünk. Ahhoz, hogy az elektromosság átáramoljon valamin, egy teljes elektromos áramkört kell létrehozni;így ahhoz, hogy az elektromosság átáramoljon a tesztoldaton, két elektródát (elektromos csatlakozót) kell belehelyezni.Ha a pH-mérőjének két szondája van (mint a cikk tetején lévő képen), akkor mindegyik egy-egy különálló elektróda; ha csak egy szondája van, akkor az egyszerűség és a kényelem érdekében mind a két elektróda bele van építve.
Az elektródák nem olyanok, mint a normál elektródák (egyszerű fémhuzal-darabok); mindegyik egy-egy mini kémiai készlet a maga nemében. A legfontosabb feladatot ellátó elektróda, amelyet üvegelektródnak nevezünk, kálium-klorid oldatba felfüggesztett ezüst alapú elektromos huzalból áll, amely egy speciális üvegből készült, fémsókat (általában nátrium- és kalciumvegyületeket) tartalmazó vékony izzó (vagy membrán) belsejében van. A másik elektródot referenciaelektródnak nevezik, és kálium-klorid oldatban felfüggesztett kálium-klorid huzalokat tartalmaz.
Műalkotás: A pH-mérő legfontosabb részei: (1) A vizsgálandó oldat; (2) üvegelektród, amely (3) egy vékony, fémsókat tartalmazó szilícium-dioxid-üveg rétegből áll, amelynek belsejében kálium-klorid-oldat (4) és egy belső elektród (5) van, amely ezüstből/ezüst-kloridból készült. (6) A vizsgálati oldatban képződő hidrogénionok kölcsönhatásba lépnek az üveg külső felületével. (7) A kálium-klorid-oldatban képződött hidrogénionok kölcsönhatásba lépnek az üveg belső felületével. (8) A mérőműszer az üveg két oldala közötti feszültségkülönbséget méri, és ezt a “potenciálkülönbséget” pH-értékké alakítja át. (9) A referenciaelektród a mérés alapvonalaként vagy referenciájaként szolgál – vagy úgy is gondolhat rá, hogy egyszerűen csak kiegészíti az áramkört.
Hogyan működik?
Az üvegelektród belsejében lévő kálium-klorid (itt narancssárga színű) semleges oldat, amelynek pH-ja 7, tehát bizonyos mennyiségű hidrogéniont (H+) tartalmaz. Tegyük fel, hogy a vizsgálandó ismeretlen oldat (kék) sokkal savasabb, tehát sokkal több hidrogéniont tartalmaz.Az üvegelektród a narancssárga oldat és a kék oldat közötti pH-különbséget méri a hidrogénionok által termelt feszültségek különbségének mérésével.Mivel ismerjük a narancssárga oldat pH-ját (7), ki tudjuk számolni a kék oldat pH-ját.
Animáció: Ioncsere működés közben.
Hogyan működik mindez? Amikor a két elektródát a kék tesztoldatba mártod, a hidrogénionok egy része az üvegelektród külső felülete felé mozog, és felváltja a benne lévő fémionok egy részét, míg a fémionok egy része az üvegelektródról a kék oldatba kerül. Ezt az ioncsere-folyamatot ioncserének nevezik, és ez a kulcsa az üvegelektród működésének. Az ioncsere az üvegelektród belső felületén is végbemegy a narancssárga oldatból.Az üveg két oldalán lévő két oldat különböző savasságú, így az üveg két oldalán különböző mennyiségű ioncsere megy végbe.Ez különböző mértékű hidrogénion-aktivitást hoz létre az üveg két felületén, ami azt jelenti, hogy különböző mennyiségű elektromos töltés épül fel rajtuk.Ez a töltéskülönbség azt jelenti, hogy az üveg két oldala között apró feszültség (néha potenciálkülönbségnek nevezik, jellemzően néhány tíz vagy száz millivolt) jelenik meg, ami feszültségkülönbséget eredményez az ezüst elektróda (5) és a referenciaelektróda (8) között, ami mérésként jelenik meg a mérőműszeren.
Bár a mérőműszer feszültséget mér, amit a skálán (vagy a digitális kijelzőn) lévő mutató valójában pH-mérést mutat nekünk.Minél nagyobb a feszültségkülönbség a narancssárga (belső) és a kék (külső) oldatok között, annál nagyobb a különbség a hidrogénion-aktivitás között.Ha a kék oldatban több hidrogénion-aktivitás van, akkor az savasabb, mint a narancsoldat, és ezt a mérőműszer alacsonyabb pH-értékként mutatja; ugyanígy, ha a kék oldatban kevesebb hidrogénion-aktivitás van, akkor ezt a mérőműszer magasabb pH-értékként (lúgosabb) mutatja.
Pontos pH-mérések elvégzése
Ahhoz, hogy a pH-mérők pontosak legyenek, megfelelően kalibrálni kell őket (a mérő pontosan fordítja a feszültségméréseket pH-méréssé), ezért általában tesztelni és beállítani kell őket, mielőtt használni kezdjük őket. A pH-mérőt úgy kalibráljuk, hogy pufferekbe (ismert pH-jú tesztoldatokba) mártjuk, és a mérőt ennek megfelelően állítjuk be.Egy másik fontos szempont, hogy az így végzett pH-mérések függnek a hőmérséklettől. Egyes mérőműszerek beépített hőmérővel rendelkeznek, és a hőmérséklet változásával automatikusan korrigálják saját pH-méréseiket; ezek a legjobbak, ha a hőmérséklet ingadozása valószínűsíthetően előfordul, miközben több különböző mérést végez. Alternatív megoldásként maga is korrigálhatja a pH-mérést, vagy figyelembe veheti ezt a műszer kalibrálásával és nagyjából azonos hőmérsékleten végzett pH-mérésekkel.