Cum funcționează un pH-metru?
Dacă folosiți hârtie de turnesol, nimic din toate acestea nu contează. Ideea de bază este că hârtia capătă o culoare ușor diferită în soluțiiîntre pH 1 și 14 și, comparând hârtia cu o diagramă de culori, puteți citi pur și simplu aciditatea sau alcalinitatea fără să vă faceți griji cu privire la numărul de ioni de hidrogen care există. Dar un pH-metru trebuie cumva să măsoare concentrația de ioni de hidrogen. Cum face acest lucru?
O soluție acidă are mult mai mulți ioni de hidrogen încărcați pozitiv în ea decât una alcalină, deci are un potențial mai mare de a produce un curent electric într-o anumită situație – cu alte cuvinte, este un pic ca o baterie care poate produce o tensiune mai mare. Un pH-metru profită de acest lucru și funcționează ca un voltmetru: măsoară tensiunea (potențialul electric) produsă de soluția a cărei aciditate ne interesează, o compară cu tensiunea unei soluții cunoscute și utilizează diferența de tensiune (diferența de potențial) dintre ele pentru a deduce diferența de pH.
Din ce este alcătuit?
Un pH-metru tipic are două componente de bază: contorul în sine, care poate fi un contor cu bobină mobilă (cu un indicator care se deplasează în raport cu o scală) sau un contor digital (cu un afișaj numeric), și una sau două sonde pe care le introduceți în soluția pe care o testați. Pentru a face ca electricitatea să circule prin ceva, trebuie să creați un circuit electric complet; astfel, pentru a face ca electricitatea să circule prin soluția de testare, trebuie să introduceți doi electrozi (terminale electrice) în aceasta.Dacă pH-metrul dumneavoastră are două sonde (ca cel din fotografia din partea de sus a acestui articol), fiecare dintre ele este un electrod separat; dacă aveți o singură sondă, ambii electrozi sunt încorporați în ea pentru simplitate și comoditate.
Electrozii nu sunt ca electrozii normali (simple bucăți de sârmă metalică); fiecare dintre ei este un mini set chimic de sine stătător. Electrodul care face cea mai importantă treabă, care se numește electrod de sticlă, are un fir electric pe bază de argint suspendat într-o soluție de clorură de potasiu, conținută în interiorul unui bulb subțire (sau membrană) realizat dintr-un sticlă specială care conține săruri metalice (de obicei compuși de sodiuși calciu). Celălalt electrod se numește electrod de referință și are un fir de clorură de potasiu suspendat într-o soluție de clorură de potasiu.
Opera de artă: Părțile cheie ale unui pH-metru: (1) Soluția care se testează; (2) Electrodul de sticlă, format din (3) un strat subțire de sticlă de siliciu care conține săruri metalice, în interiorul căruia se află o soluție de clorură de potasiu (4) și un electrod intern (5) realizat din argint/clorură de argint. (6) Ionii de hidrogen formați în soluția de testare interacționează cu suprafața exterioară a sticlei. (7) Ionii de hidrogen formați în soluția de clorură de potasiu interacționează cu suprafața interioară a sticlei. (8) Aparatul de măsură măsoară diferența de tensiune dintre cele două părți ale sticlei și transformă această „diferență de potențial” într-o citire a pH-ului. (9) Electrodul de referință acționează ca o linie de bază sau de referință pentru măsurare – sau vă puteți gândi la el ca la o simplă completare a circuitului.
Cum funcționează?
Clorura de potasiu din interiorul electrodului de sticlă (prezentată aici colorată în portocaliu) este o soluție neutră cu un pH de 7, deci conține o anumită cantitate de ioni de hidrogen (H+). Să presupunem că soluția necunoscută pe care o testați (albastră) este mult mai acidă, deci conține mult mai mulți ioni de hidrogen.Ceea ce face electrodul de sticlă este să măsoare diferența de pH dintre soluția portocalieși soluția albastră prin măsurarea diferenței dintre tensiunile pe care le produc ionii lor de hidrogen.Din moment ce cunoaștem pH-ul soluției portocalii (7), ne putem da seama de pH-ul soluției albastre.
Animare: Schimbul de ioni în acțiune.
Cum funcționează totul? Când scufundați cei doi electrozi în soluția albastră de testare, o parte din ionii de hidrogen se deplasează spre suprafața exterioară a electrodului de sticlă și înlocuiesc o parte din ionii metalici din interiorul acestuia, în timp ce o parte din ionii metalici se deplasează din electrodul de sticlă în soluția albastră. Acest proces de schimb de ioni se numește schimb de ioni și reprezintă cheia funcționării unui electrod de sticlă. Schimbul de ioni are loc, de asemenea, pe suprafața interioară a electrodului de sticlă din soluția portocalie.Cele două soluții de pe fiecare parte a sticlei au aciditate diferită, astfel încât o cantitate diferită de schimb de ioni are loc pe cele două părți ale sticlei.Acest lucru creează un grad diferit de activitate a ionilor de hidrogen pe cele două suprafețe ale sticlei, ceea ce înseamnă că pe ele se acumulează o cantitate diferită de sarcină electrică.Această diferență de sarcină înseamnă că între cele două fețe ale sticlei apare o mică tensiune (uneori numită diferență de potențial, de obicei câteva zeci sau sute de milivolți), ceea ce produce o diferență de tensiune între electrodul de argint (5) și electrodul de referință (8), care apare ca măsurătoare pe aparat.
Deși aparatul de măsură măsoară tensiunea, ceea ce ne arată de fapt indicatorul de pe scală (sau afișajul digital) este o măsurătoare a pH-ului. cu cât este mai mare diferența de tensiune între soluția portocalie (din interior) și cea albastră (din exterior), cu atât mai mare este diferența de activitate a ionilor de hidrogen între.Dacă există o activitate mai mare a ionilor de hidrogen în soluția albastră, aceasta este mai acidă decât soluția portocalie și aparatul de măsură arată acest lucru ca un pH mai mic; în același mod, dacă există o activitate mai mică a ionilor de hidrogen în soluția albastră, aparatul de măsură arată acest lucru ca un pH mai mare (mai alcalin).
Facerea unor măsurători precise ale pH-ului
Pentru ca pH-metrele să fie precise, ele trebuie să fie calibrate corespunzător (aparatul de măsură traduce cu exactitate măsurătorile de tensiune în măsurători de pH), așa că, de obicei, ele trebuie testate și ajustate înainte de a începe să le folosiți. Calibrați un pH-metru scufundându-l în tampoane (soluții de testare cu pH cunoscut) și reglați aparatul de măsură în consecință.Un alt aspect important de luat în considerare este faptul că măsurătorile de pH efectuate în acest mod depind de temperatură. Unele aparate de măsură au termometre încorporate și își corectează automat propriile măsurători de pH pe măsură ce temperatura se schimbă; acestea sunt cele mai bune dacă este probabil să apară fluctuații de temperatură în timp ce efectuați mai multe măsurători diferite. Alternativ, puteți corecta singuri măsurătorile de pH sau puteți ține cont de acest lucru prin calibrarea instrumentului și efectuarea măsurătorilor de pH la aproximativ aceeași temperatură.