Jak działa miernik pH?
Jeśli używasz papierka lakmusowego, nic z tego nie ma znaczenia. Podstawową ideą jest to, że papierek zmienia kolor na nieco inny w roztworach o pH od 1 do 14, a porównując papierek z tabelą kolorów, można po prostu odczytać kwasowość lub zasadowość, nie martwiąc się o ilość jonów wodorowych. Ale pH-metr musi w jakiś sposób mierzyć stężenie jonów wodorowych. Jak to robi?
Kwaśny roztwór ma znacznie więcej dodatnio naładowanych jonów wodorowych niż zasadowy, więc ma większy potencjał do wytwarzania prądu elektrycznego w określonej sytuacji – innymi słowy, jest trochę jak bateria, która może wytwarzać większe napięcie. pH-metr wykorzystuje ten fakt i działa jak woltomierz: mierzy napięcie (potencjał elektryczny) wytwarzane przez roztwór, którego kwasowość nas interesuje, porównuje je z napięciem znanego roztworu i wykorzystuje różnicę napięcia („różnicę potencjałów”) między nimi, aby wydedukować różnicę pH.
Z czego się składa?
Typowy pH-metr ma dwa podstawowe elementy: sam miernik, który może być miernikiem z ruchomą cewką (miernikiem ze wskazówką poruszającą się względem skali) lub miernikiem cyfrowym (miernikiem z wyświetlaczem numerycznym), oraz jedną lub dwie sondy, które wkłada się do badanego roztworu. Aby prąd elektryczny mógł przepływać przez coś, należy stworzyć kompletny obwód elektryczny; tak więc, aby prąd elektryczny mógł przepływać przez roztwór testowy, należy umieścić w nim dwie elektrody (końcówki elektryczne).Jeśli Twój pH-metr ma dwie sondy (jak ta na zdjęciu na górze tego artykułu), każda z nich jest oddzielną elektrodą; jeśli masz tylko jedną sondę, obie elektrody są wbudowane w nią dla uproszczenia i wygody.
Elektrody nie są jak zwykłe elektrody (proste kawałki metalowego drutu); każda z nich jest mini zestawem chemicznym w swoim własnym prawie. Elektroda, która wykonuje najważniejszą pracę, zwana elektrodą szklaną, posiada drut elektryczny na bazie srebra zawieszony w roztworze chlorku potasu, znajdujący się wewnątrz cienkiej bańki (lub membrany) wykonanej ze specjalnego szkła zawierającego sole metali (zazwyczaj związki sodu i wapnia). Druga elektroda nazywana jest elektrodą odniesienia i posiada drut z chlorku potasu zawieszony w roztworze chlorku potasu.
Opracowanie plastyczne: Kluczowe części pH-metru: (1) Badany roztwór; (2) Elektroda szklana, składająca się z (3) cienkiej warstwy szkła krzemionkowego zawierającego sole metali, wewnątrz której znajduje się roztwór chlorku potasu (4) oraz elektrody wewnętrznej (5) wykonanej z chlorku srebra/srebra. (6) Jony wodorowe powstałe w roztworze badanym oddziałują z zewnętrzną powierzchnią szkła. (7) Jony wodorowe powstałe w roztworze chlorku potasu oddziałują z wewnętrzną powierzchnią szkła. (8) Miernik mierzy różnicę napięcia pomiędzy dwoma stronami szkła i przekształca tę „różnicę potencjałów” w odczyt pH. (9) Elektroda odniesienia działa jako podstawa lub odniesienie dla pomiaru – lub można myśleć o niej jako o po prostu zakończeniu obwodu.
Jak to działa?
Chlorek potasu wewnątrz szklanej elektrody (pokazany tutaj zabarwiony na pomarańczowo) jest neutralnym roztworem o pH 7, więc zawiera pewną ilość jonów wodorowych (H+). Załóżmy, że nieznany roztwór, który badamy (niebieski) jest dużo bardziej kwaśny, więc zawiera dużo więcej jonów wodorowych.Elektroda szklana mierzy różnicę pH pomiędzy roztworem pomarańczowym i niebieskim poprzez pomiar różnicy napięć, jakie wytwarzają ich jony wodorowe.Ponieważ znamy pH roztworu pomarańczowego (7), możemy określić pH roztworu niebieskiego.
Animacja: Wymiana jonowa w akcji.
Jak to wszystko działa? Kiedy zanurzamy dwie elektrody w niebieskim roztworze testowym, niektóre jony wodoru przesuwają się w kierunku zewnętrznej powierzchni elektrody szklanej i zastępują niektóre jony metalu w jej wnętrzu, podczas gdy niektóre jony metalu przesuwają się ze szklanej elektrody do niebieskiego roztworu. Ten proces wymiany jonów nazywany jest wymianą jonową i jest kluczem do działania elektrody szklanej. Wymiana jonów zachodzi również na wewnętrznej powierzchni elektrody szklanej z roztworu pomarańczowego. Oba roztwory po obu stronach szkła mają różną kwasowość, dlatego też po obu stronach szkła zachodzi różna wymiana jonów. Powoduje to różny stopień aktywności jonów wodorowych na obu powierzchniach szkła, co oznacza, że gromadzi się na nich różna ilość ładunku elektrycznego.Ta różnica ładunków oznacza, że między dwoma stronami szkła pojawia się niewielkie napięcie (czasami nazywane różnicą potencjałów, zazwyczaj kilkadziesiąt lub kilkaset miliwoltów), co powoduje różnicę w napięciu między elektrodą srebrną (5) a elektrodą odniesienia (8), która pojawia się jako pomiar na mierniku.
Pomimo, że miernik mierzy napięcie, wskazówka na skali (lub wyświetlaczu cyfrowym) pokazuje nam pomiar pH. Im większa różnica w napięciu pomiędzy pomarańczowym (wewnątrz) i niebieskim (na zewnątrz) roztworem, tym większa jest różnica w aktywności jonów wodorowych.Jeśli jest większa aktywność jonów wodorowych w niebieskim roztworze, jest on bardziej kwaśny niż roztwór pomarańczy i miernik pokazuje to jako niższe pH; w ten sam sposób, jeśli jest mniejsza aktywność jonów wodorowych w niebieskim roztworze, miernik pokazuje to jako wyższe pH (bardziej zasadowe).
Wykonywanie dokładnych pomiarów pH
Aby mierniki pH były dokładne, muszą być właściwie skalibrowane (miernik dokładnie przekłada pomiary napięcia na pomiary pH), więc zwykle wymagają testowania i regulacji przed rozpoczęciem ich używania. Kalibracja miernika pH polega na zanurzeniu go w buforach (roztworach testowych o znanym pH) i odpowiednim wyregulowaniu miernika. Inną ważną kwestią jest to, że pomiary pH wykonywane w ten sposób zależą od temperatury. Niektóre mierniki mają wbudowane termometry i automatycznie korygują własne pomiary pH, gdy temperatura się zmienia; są one najlepsze, jeśli istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia wahań temperatury podczas wykonywania wielu różnych pomiarów. Alternatywnie, można samemu skorygować pomiar pH, lub uwzględnić to poprzez kalibrację przyrządu i wykonanie pomiarów pH w zasadniczo tej samej temperaturze.