Come funziona un misuratore di pH?
Se stai usando la cartina tornasole, niente di tutto ciò ha importanza. L’idea di base è che la carta diventa di un colore leggermente diverso nelle soluzioni tra pH 1 e 14 e, confrontando la carta con una tabella di colori, si può semplicemente leggere l’acidità o l’alcalinità senza preoccuparsi di quanti ioni idrogeno ci sono. Ma un misuratore di pH deve in qualche modo misurare la concentrazione di ioni idrogeno. Come lo fa?
Una soluzione acida ha al suo interno molti più ioni idrogeno caricati positivamente di una soluzione alcalina, quindi ha un potenziale maggiore per produrre una corrente elettrica in una certa situazione – in altre parole, è un po’ come una batteria che può produrre una tensione maggiore. Un pHmetro approfitta di questo e funziona come un voltmetro: misura la tensione (potenziale elettrico) prodotta dalla soluzione di cui ci interessa l’acidità, la confronta con la tensione di una soluzione nota e usa la differenza di tensione (la “differenza di potenziale”) tra loro per dedurre la differenza di pH.
Di cosa è fatto?
Un tipico misuratore di pH ha due componenti di base: il misuratore stesso, che può essere un misuratore a bobina mobile (uno con un puntatore che si muove contro una scala) o un misuratore digitale (uno con un display numerico), e una o due sonde che si inseriscono nella soluzione da testare. Per far fluire l’elettricità attraverso qualcosa, devi creare un circuito elettrico completo; così, per far fluire l’elettricità attraverso la soluzione di prova, devi mettere due elettrodi (terminali elettrici) in essa.Se il vostro misuratore di pH ha due sonde (come quello nella foto all’inizio di questo articolo), ognuna è un elettrodo separato; se avete solo una sonda, entrambi i due elettrodi sono costruiti al suo interno per semplicità e comodità.
Gli elettrodi non sono come gli elettrodi normali (semplici pezzi di filo metallico); ognuno è un mini set chimico a sé stante. L’elettrodo che fa il lavoro più importante, chiamato elettrodo di vetro, ha un filo elettrico a base di argento sospeso in una soluzione di cloruro di potassio, contenuto in un bulbo sottile (o membrana) fatto da un vetro speciale contenente sali metallici (tipicamente composti di sodio e calcio). L’altro elettrodo è chiamato elettrodo di riferimento e ha un filo di cloruro di potassio sospeso in una soluzione di cloruro di potassio.
Artwork: Parti chiave di un misuratore di pH: (1) Soluzione da testare; (2) Elettrodo di vetro, costituito da (3) un sottile strato di vetro di silice contenente sali metallici, all’interno del quale c’è una soluzione di cloruro di potassio (4) e un elettrodo interno (5) fatto di argento/cloruro d’argento. (6) Gli ioni di idrogeno formati nella soluzione di prova interagiscono con la superficie esterna del vetro. (7) Gli ioni di idrogeno formati nella soluzione di cloruro di potassio interagiscono con la superficie interna del vetro. (8) Lo strumento misura la differenza di tensione tra i due lati del vetro e converte questa “differenza di potenziale” in una lettura del pH. (9) L’elettrodo di riferimento funge da linea di base o da riferimento per la misurazione – o si può pensare che completi semplicemente il circuito.
Come funziona?
Il cloruro di potassio all’interno dell’elettrodo di vetro (mostrato qui di colore arancione) è una soluzione neutra con un pH di 7, quindi contiene una certa quantità di ioni idrogeno (H+). Supponiamo che la soluzione sconosciuta che stai testando (blu) sia molto più acida, quindi contiene molti più ioni idrogeno.Ciò che l’elettrodo di vetro fa è misurare la differenza di pH tra la soluzione arancione e la soluzione blu misurando la differenza nelle tensioni che i loro ioni idrogeno producono.Poiché conosciamo il pH della soluzione arancione (7), possiamo capire il pH della soluzione blu.
Animazione: Scambio ionico in azione.
Come funziona il tutto? Quando immergi i due elettrodi nella soluzione blu, alcuni degli ioni idrogeno si muovono verso la superficie esterna dell’elettrodo di vetro e sostituiscono alcuni degli ioni metallici al suo interno, mentre alcuni degli ioni metallici si muovono dall’elettrodo di vetro nella soluzione blu. Questo processo di scambio di ioni è chiamato scambio ionico, ed è la chiave di come funziona un elettrodo di vetro. Lo scambio di ioni avviene anche sulla superficie interna dell’elettrodo di vetro dalla soluzione arancione.Le due soluzioni su entrambi i lati del vetro hanno un’acidità diversa, quindi una diversa quantità di scambio di ioni avviene sui due lati del vetro.Questo crea un diverso grado di attività degli ioni idrogeno sulle due superfici del vetro, che significa una diversa quantità di carica elettrica si accumula su di esse.Questa differenza di carica significa che una piccola tensione (a volte chiamata differenza di potenziale, tipicamente alcune decine o centinaia di millivolt) appare tra i due lati del vetro, che produce una differenza di tensione tra l’elettrodo d’argento (5) e l’elettrodo di riferimento (8) che si presenta come una misura sul misuratore.
Anche se il misuratore sta misurando la tensione, ciò che l’indicatore sulla scala (o display digitale) ci mostra in realtà è una misura di pH. Più grande è la differenza di tensione tra le soluzioni arancione (all’interno) e blu (all’esterno), più grande è la differenza di attività degli ioni idrogeno tra.Se c’è più attività degli ioni idrogeno nella soluzione blu, è più acida della soluzione arancione e il misuratore mostra questo come un pH più basso; allo stesso modo, se c’è meno attività degli ioni idrogeno nella soluzione blu, il misuratore mostra questo come un pH più alto (più alcalino).
Fare misure accurate di pH
Perché i misuratori di pH siano accurati, devono essere calibrati correttamente (il misuratore traduce accuratamente le misure di tensione in misure di pH), quindi di solito hanno bisogno di test e regolazioni prima di iniziare ad usarli. Si calibra un misuratore di pH immergendolo in tamponi (soluzioni di prova di pH noto) e regolare il misuratore di conseguenza. Un’altra considerazione importante è che le misure di pH fatte in questo modo dipendono dalla temperatura. Alcuni misuratori hanno termometri incorporati e correggono automaticamente le proprie misure di pH quando la temperatura cambia; quelli sono migliori se è probabile che si verifichino fluttuazioni di temperatura mentre stai facendo una serie di misure diverse. In alternativa, è possibile correggere la misura del pH da soli, o tenerne conto calibrando lo strumento e facendo misurazioni di pH più o meno alla stessa temperatura.