Principio de operacióneditar
Los medidores de pH potenciométricos miden el voltaje entre dos electrodos y mostrar el resultado convertido en el valor de pH correspondiente. Comprenden un amplificador electrónico simple y un par de electrodos, o alternativamente un electrodo combinado, y algún tipo de pantalla calibrada en unidades de pH. Por lo general, tiene un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia, o un electrodo combinado. Los electrodos, o sondas, se insertan en la solución que se va a probar.
El diseño de los electrodos es la parte clave: se trata de estructuras en forma de varilla, generalmente hechas de vidrio, con una bombilla que contiene el sensor en la parte inferior. El electrodo de vidrio para medir el pH tiene una bombilla de vidrio diseñada específicamente para ser selectiva a la concentración de iones de hidrógeno. Al sumergirse en la solución que se va a probar, los iones de hidrógeno de la solución de prueba se intercambian por otros iones cargados positivamente en la bombilla de vidrio, creando un potencial electroquímico en toda la bombilla. El amplificador electrónico detecta la diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos generados en la medición y convierte la diferencia de potencial en unidades de pH. La magnitud del potencial electroquímico a través de la bombilla de vidrio está relacionada linealmente con el pH de acuerdo con la ecuación de Nernst.
El electrodo de referencia es insensible al pH de la solución, al estar compuesto por un conductor metálico, que se conecta a la pantalla. Este conductor se sumerge en una solución electrolítica, típicamente cloruro de potasio, que entra en contacto con la solución de prueba a través de una membrana cerámica porosa. La pantalla consta de un voltímetro, que muestra la tensión en unidades de pH.
Al sumergir el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia en la solución de prueba, se completa un circuito eléctrico, en el que hay una diferencia de potencial creada y detectada por el voltímetro. Se puede pensar que el circuito va desde el elemento conductor del electrodo de referencia a la solución de cloruro de potasio circundante, a través de la membrana cerámica hasta la solución de prueba, el vidrio selectivo de iones de hidrógeno del electrodo de vidrio, la solución dentro del electrodo de vidrio, la plata del electrodo de vidrio y, finalmente, el voltímetro del dispositivo de visualización. El voltaje varía de una solución de prueba a otra, dependiendo de la diferencia de potencial creada por la diferencia en las concentraciones de iones de hidrógeno a cada lado de la membrana de vidrio entre la solución de prueba y la solución dentro del electrodo de vidrio. Todas las demás diferencias de potencial en el circuito no varían con el pH y se corrigen mediante la calibración.
Para simplificar, muchos medidores de pH utilizan una sonda combinada, construida con el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia contenidos dentro de una sola sonda. Una descripción detallada de los electrodos de combinación se da en el artículo sobre electrodos de vidrio.
El medidor de pH se calibra con soluciones de pH conocido, normalmente antes de cada uso, para garantizar la precisión de la medición. Para medir el pH de una solución, los electrodos se utilizan como sondas, que se sumergen en las soluciones de prueba y se mantienen allí el tiempo suficiente para que los iones de hidrógeno en la solución de prueba se equilibren con los iones en la superficie de la bombilla en el electrodo de vidrio. Este equilibrio proporciona una medición de pH estable.
Diseño de electrodos de pH y electrodos de referenciaeditar
Los detalles de la fabricación y la microestructura resultante de la membrana de vidrio del electrodo de pH se mantienen como secretos comerciales por parte de los fabricantes.: 125 Sin embargo, se publican ciertos aspectos del diseño. El vidrio es un electrolito sólido, para el cual los iones de metal alcalino pueden transportar corriente. La membrana de vidrio sensible al pH es generalmente esférica para simplificar la fabricación de una membrana uniforme. Estas membranas tienen un grosor de hasta 0,4 milímetros, más gruesas que los diseños originales, para que las sondas sean duraderas. El vidrio tiene funcionalidad química de silicato en su superficie, que proporciona sitios de unión para iones de metal alcalino e iones de hidrógeno de las soluciones. Esto proporciona una capacidad de intercambio iónico en el rango de 10-6 a 10-8 mol/cm2. La selectividad para los iones de hidrógeno (H+) surge de un equilibrio de carga iónica, requisitos de volumen frente a otros iones y el número de coordinación de otros iones. Los fabricantes de electrodos han desarrollado composiciones que equilibran adecuadamente estos factores, especialmente el vidrio de litio.:113-139
El electrodo de cloruro de plata se usa más comúnmente como electrodo de referencia en medidores de pH, aunque algunos diseños usan el electrodo de calomel saturado. El electrodo de cloruro de plata es fácil de fabricar y proporciona una alta reproducibilidad. El electrodo de referencia generalmente consiste en un alambre de platino que tiene contacto con una mezcla de plata/cloruro de plata, que se sumerge en una solución de cloruro de potasio. Hay un tapón de cerámica, que sirve como contacto con la solución de prueba, proporcionando una baja resistencia al tiempo que evita la mezcla de las dos soluciones.:76-91
Con estos diseños de electrodos, el voltímetro detecta diferencias de potencial de ±1400 milivoltios. Los electrodos están diseñados para equilibrarse rápidamente con soluciones de prueba para facilitar su uso. Los tiempos de equilibrio son típicamente de menos de un segundo, aunque los tiempos de equilibrio aumentan a medida que los electrodos envejecen.: 164
Mantenimientoeditar
Debido a la sensibilidad de los electrodos a los contaminantes, la limpieza de las sondas es esencial para la exactitud y precisión. Las sondas generalmente se mantienen húmedas cuando no se usan con un medio apropiado para la sonda en particular, que generalmente es una solución acuosa disponible de los fabricantes de sondas. Los fabricantes de sondas proporcionan instrucciones para limpiar y mantener sus diseños de sondas. A modo de ejemplo, un fabricante de pH de laboratorio da instrucciones de limpieza para contaminantes específicos: limpieza general (remojo de 15 minutos en una solución de lejía y detergente), sal (solución de ácido clorhídrico seguida de hidróxido de sodio y agua), grasa (detergente o metanol), unión de referencia obstruida (solución de KCl), depósitos de proteínas (pepsina y HCl, solución al 1%) y burbujas de aire.
Calibración y operationEdit
El Instituto Alemán de Normalización publica un estándar para la medición de pH utilizando medidores de pH, DIN 19263.
Las mediciones muy precisas requieren que el medidor de pH esté calibrado antes de cada medición. Más típicamente, la calibración se realiza una vez al día de operación. La calibración es necesaria porque el electrodo de vidrio no proporciona potenciales electrostáticos reproducibles durante períodos de tiempo más largos.:238-239
De acuerdo con los principios de las buenas prácticas de laboratorio, la calibración se realiza con al menos dos soluciones tampón estándar que abarcan el rango de valores de pH a medir. Para fines generales, los tampones a pH 4,00 y pH 10,00 son adecuados. El medidor de pH tiene un control de calibración para ajustar la lectura del medidor al valor del primer búfer estándar y un segundo control para ajustar la lectura del medidor al valor del segundo búfer. Un tercer control permite ajustar la temperatura. Los sobres de tampón estándar, disponibles en una variedad de proveedores, generalmente documentan la dependencia de temperatura del control de tampón. Las mediciones más precisas a veces requieren calibración a tres valores de pH diferentes. Algunos medidores de pH proporcionan corrección de coeficiente de temperatura incorporada, con termopares de temperatura en las sondas de electrodos. El proceso de calibración correlaciona la tensión producida por la sonda (aproximadamente 0,06 voltios por unidad de pH) con la escala de pH. Las buenas prácticas de laboratorio dictan que, después de cada medición, las sondas se enjuagan con agua destilada o desionizada para eliminar cualquier rastro de la solución que se está midiendo, se secan con una toallita científica para absorber el agua restante, que podría diluir la muestra y, por lo tanto, alterar la lectura, y luego se sumergen en una solución de almacenamiento adecuada para el tipo de sonda en particular.