Principe de fonctionnementmodifier
Les pH-mètres potentiométriques mesurent la tension entre deux pH-mètres électrodes et afficher le résultat converti en la valeur de pH correspondante. Ils comprennent un amplificateur électronique simple et une paire d’électrodes, ou bien une électrode combinée, et une forme d’affichage calibré en unités de pH. Il a généralement une électrode de verre et une électrode de référence, ou une électrode combinée. Les électrodes, ou sondes, sont insérées dans la solution à tester.
La conception des électrodes est l’élément clé: Ce sont des structures en forme de tige généralement en verre, avec une ampoule contenant le capteur en bas. L’électrode en verre pour mesurer le pH est dotée d’une ampoule en verre spécialement conçue pour être sélective à la concentration en ions hydrogène. Lors de l’immersion dans la solution à tester, les ions hydrogène de la solution d’essai s’échangent contre d’autres ions chargés positivement sur l’ampoule en verre, créant un potentiel électrochimique à travers l’ampoule. L’amplificateur électronique détecte la différence de potentiel électrique entre les deux électrodes générées lors de la mesure et convertit la différence de potentiel en unités de pH. L’amplitude du potentiel électrochimique à travers l’ampoule de verre est linéairement liée au pH selon l’équation de Nernst.
L’électrode de référence est insensible au pH de la solution, étant composée d’un conducteur métallique, qui se connecte à l’écran. Ce conducteur est immergé dans une solution d’électrolyte, typiquement du chlorure de potassium, qui entre en contact avec la solution d’essai à travers une membrane céramique poreuse. L’affichage se compose d’un voltmètre, qui affiche la tension en unités de pH.
Lors de l’immersion de l’électrode de verre et de l’électrode de référence dans la solution de test, un circuit électrique est terminé, dans lequel une différence de potentiel est créée et détectée par le voltmètre. Le circuit peut être pensé comme allant de l’élément conducteur de l’électrode de référence à la solution de chlorure de potassium environnante, en passant par la membrane céramique à la solution de test, le verre sélectif aux ions hydrogène de l’électrode de verre, à la solution à l’intérieur de l’électrode de verre, à l’argent de l’électrode de verre, et enfin au voltmètre du dispositif d’affichage. La tension varie d’une solution d’essai à l’autre en fonction de la différence de potentiel créée par la différence de concentrations d’ions hydrogène de chaque côté de la membrane de verre entre la solution d’essai et la solution à l’intérieur de l’électrode de verre. Toutes les autres différences de potentiel dans le circuit ne varient pas avec le pH et sont corrigées au moyen de l’étalonnage.
Pour plus de simplicité, de nombreux pH-mètres utilisent une sonde combinée, construite avec l’électrode de verre et l’électrode de référence contenues dans une seule sonde. Une description détaillée des électrodes combinées est donnée dans l’article sur les électrodes en verre.
Le pH-mètre est étalonné avec des solutions de pH connu, généralement avant chaque utilisation, pour assurer la précision de la mesure. Pour mesurer le pH d’une solution, les électrodes sont utilisées comme sondes, qui sont plongées dans les solutions d’essai et y sont maintenues suffisamment longtemps pour que les ions hydrogène de la solution d’essai s’équilibrent avec les ions à la surface de l’ampoule sur l’électrode de verre. Cet équilibrage permet une mesure stable du pH.
Conception de l’électrode de pH et de l’électrode de référencedit
Les détails de la fabrication et de la microstructure résultante de la membrane de verre de l’électrode de pH sont conservés comme secrets commerciaux par les fabricants.: 125 Cependant, certains aspects de la conception sont publiés. Le verre est un électrolyte solide pour lequel les ions alcalins peuvent transporter du courant. La membrane de verre sensible au pH est généralement sphérique pour simplifier la fabrication d’une membrane uniforme. Ces membranes ont jusqu’à 0,4 millimètre d’épaisseur, plus épaisses que les conceptions originales, de manière à rendre les sondes durables. Le verre a une fonctionnalité chimique de silicate à sa surface, ce qui fournit des sites de liaison pour les ions alcalins et les ions hydrogène des solutions. Cela fournit une capacité d’échange d’ions de l’ordre de 10-6 à 10-8 mol / cm2. La sélectivité pour les ions hydrogène (H +) provient d’un équilibre entre la charge ionique, les besoins en volume par rapport aux autres ions et le nombre de coordination des autres ions. Les fabricants d’électrodes ont mis au point des compositions qui équilibrent convenablement ces facteurs, notamment le verre au lithium.:113-139
L’électrode au chlorure d’argent est le plus couramment utilisée comme électrode de référence dans les pH-mètres, bien que certaines conceptions utilisent l’électrode au calomel saturé. L’électrode au chlorure d’argent est simple à fabriquer et offre une grande reproductibilité. L’électrode de référence est généralement constituée d’un fil de platine en contact avec un mélange argent / chlorure d’argent, qui est immergé dans une solution de chlorure de potassium. Il y a un bouchon en céramique, qui sert de contact avec la solution de test, offrant une faible résistance tout en empêchant le mélange des deux solutions.:76-91
Avec ces conceptions d’électrodes, le voltmètre détecte des différences de potentiel de ±1400 millivolts. Les électrodes sont en outre conçues pour s’équilibrer rapidement avec les solutions de test afin de faciliter leur utilisation. Les temps d’équilibrage sont typiquement inférieurs à une seconde, bien que les temps d’équilibrage augmentent avec l’âge des électrodes.:164
MaintenanceEdit
En raison de la sensibilité des électrodes aux contaminants, la propreté des sondes est essentielle pour la précision et la précision. Les sondes sont généralement maintenues humides lorsqu’elles ne sont pas utilisées avec un milieu approprié pour la sonde particulière, qui est généralement une solution aqueuse disponible auprès des fabricants de sondes. Les fabricants de sondes fournissent des instructions pour le nettoyage et l’entretien de leurs conceptions de sondes. À titre d’illustration, un fabricant de pH de qualité laboratoire donne des instructions de nettoyage pour des contaminants spécifiques: nettoyage général (trempage de 15 minutes dans une solution d’eau de Javel et de détergent), sel (solution d’acide chlorhydrique suivie d’hydroxyde de sodium et d’eau), graisse (détergent ou méthanol), jonction de référence obstruée (solution de KCl), dépôts de protéines (pepsine et HCl, solution à 1%) et bulles d’air.
Étalonnage et fonctionnement
L’Institut allemand de normalisation publie une norme pour la mesure du pH à l’aide de pH-mètres, DIN 19263.
Des mesures très précises nécessitent que le pH-mètre soit étalonné avant chaque mesure. Plus généralement, l’étalonnage est effectué une fois par jour de fonctionnement. L’étalonnage est nécessaire car l’électrode de verre ne donne pas de potentiels électrostatiques reproductibles sur de plus longues périodes.:238-239
Conformément aux principes des bonnes pratiques de laboratoire, l’étalonnage est effectué avec au moins deux solutions tampons étalons couvrant la plage des valeurs de pH à mesurer. À des fins générales, des tampons à pH 4,00 et pH 10,00 conviennent. Le pH-mètre a une commande d’étalonnage pour régler la lecture du compteur égale à la valeur du premier tampon étalon et une seconde commande pour ajuster la lecture du compteur à la valeur du second tampon. Une troisième commande permet de régler la température. Les sachets tampons standard, disponibles auprès de divers fournisseurs, documentent généralement la dépendance à la température du contrôle du tampon. Des mesures plus précises nécessitent parfois un étalonnage à trois valeurs de pH différentes. Certains pH-mètres fournissent une correction intégrée du coefficient de température, avec des thermocouples de température dans les sondes d’électrode. Le processus d’étalonnage met en corrélation la tension produite par la sonde (environ 0,06 volts par unité de pH) avec l’échelle de pH. Les bonnes pratiques de laboratoire imposent qu’après chaque mesure, les sondes soient rincées à l’eau distillée ou à l’eau désionisée pour éliminer toute trace de la solution à mesurer, épongées avec une lingette scientifique pour absorber toute eau restante susceptible de diluer l’échantillon et donc d’altérer la lecture, puis immergées dans une solution de stockage adaptée au type de sonde particulier.