Principio di funzionamentomodifica
pHmetri potenziometrici misurare la tensione tra due elettrodi e visualizzare il risultato convertito nel valore pH corrispondente. Essi comprendono un semplice amplificatore elettronico e una coppia di elettrodi, o in alternativa un elettrodo combinazione, e una qualche forma di display calibrato in unità di pH. Di solito ha un elettrodo di vetro e un elettrodo di riferimento o un elettrodo combinato. Gli elettrodi, o sonde, vengono inseriti nella soluzione da testare.
Il design degli elettrodi è la parte fondamentale: si tratta di strutture simili a barre di solito in vetro, con una lampadina contenente il sensore nella parte inferiore. L’elettrodo di vetro per misurare il pH ha un bulbo di vetro specificamente progettato per essere selettivo alla concentrazione di ioni idrogeno. All’immersione nella soluzione da testare, gli ioni idrogeno nella soluzione di prova si scambiano per altri ioni caricati positivamente sul bulbo di vetro, creando un potenziale elettrochimico attraverso il bulbo. L’amplificatore elettronico rileva la differenza di potenziale elettrico tra i due elettrodi generati nella misura e converte la differenza di potenziale in unità di pH. L’entità del potenziale elettrochimico attraverso il bulbo di vetro è linearmente correlata al pH secondo l’equazione di Nernst.
L’elettrodo di riferimento è insensibile al pH della soluzione, essendo composto da un conduttore metallico, che si collega al display. Questo conduttore è immerso in una soluzione elettrolitica, tipicamente cloruro di potassio, che entra in contatto con la soluzione di prova attraverso una membrana ceramica porosa. Il display è costituito da un voltmetro, che visualizza la tensione in unità di pH.
All’immersione dell’elettrodo di vetro e dell’elettrodo di riferimento nella soluzione di prova, viene completato un circuito elettrico, in cui esiste una differenza di potenziale creata e rilevata dal voltmetro. Il circuito può essere pensato come andare dall’elemento conduttivo dell’elettrodo di riferimento alla soluzione di cloruro di potassio circostante, attraverso la membrana ceramica alla soluzione di prova, il vetro idrogeno-ionico-selettivo dell’elettrodo di vetro, alla soluzione all’interno dell’elettrodo di vetro, all’argento dell’elettrodo di vetro e infine al voltmetro del dispositivo di visualizzazione. La tensione varia dalla soluzione di prova alla soluzione di prova a seconda della differenza di potenziale creata dalla differenza nelle concentrazioni di ioni idrogeno su ciascun lato della membrana di vetro tra la soluzione di prova e la soluzione all’interno dell’elettrodo di vetro. Tutte le altre differenze di potenziale nel circuito non variano con il pH e vengono corrette mediante la calibrazione.
Per semplicità, molti phmetri utilizzano una sonda combinata, costruita con l’elettrodo di vetro e l’elettrodo di riferimento contenuti all’interno di una singola sonda. Una descrizione dettagliata degli elettrodi combinati è riportata nell’articolo sugli elettrodi di vetro.
Il phmetro è calibrato con soluzioni di pH noto, tipicamente prima di ogni utilizzo, per garantire l’accuratezza della misurazione. Per misurare il pH di una soluzione, gli elettrodi sono usati come sonde, che sono immersi nelle soluzioni di prova e tenuti lì sufficientemente a lungo perché gli ioni idrogeno nella soluzione di prova si equilibrino con gli ioni sulla superficie del bulbo sull’elettrodo di vetro. Questo equilibrio fornisce una misura stabile del pH.
Elettrodo pH e elettrodo di riferimento designEdit
I dettagli della fabbricazione e della microstruttura risultante della membrana di vetro dell’elettrodo pH sono mantenuti come segreti commerciali dai produttori.:125 Tuttavia, alcuni aspetti del design sono pubblicati. Il vetro è un elettrolita solido, per il quale gli ioni alcalino-metallici possono trasportare corrente. La membrana di vetro sensibile al pH è generalmente sferica per semplificare la produzione di una membrana uniforme. Queste membrane sono fino a 0,4 millimetri di spessore, più spesso rispetto ai disegni originali, in modo da rendere le sonde durevoli. Il vetro ha funzionalità chimica silicato sulla sua superficie, che fornisce siti di legame per ioni alcali-metallo e ioni idrogeno dalle soluzioni. Ciò fornisce una capacità di scambio ionico nell’intervallo da 10-6 a 10-8 mol / cm2. La selettività per gli ioni idrogeno (H+) deriva da un equilibrio di carica ionica, requisiti di volume rispetto ad altri ioni e il numero di coordinazione di altri ioni. I produttori di elettrodi hanno sviluppato composizioni che bilanciano adeguatamente questi fattori, in particolare il vetro al litio.:113-139
L’elettrodo di cloruro d’argento è più comunemente usato come elettrodo di riferimento nei misuratori di pH, anche se alcuni disegni utilizzano l’elettrodo calomel saturo. L’elettrodo di cloruro d’argento è semplice da produrre e fornisce un’elevata riproducibilità. L’elettrodo di riferimento di solito è costituito da un filo di platino che ha contatto con una miscela di argento/cloruro d’argento, che è immerso in una soluzione di cloruro di potassio. C’è una spina in ceramica, che funge da contatto con la soluzione di prova, fornendo una bassa resistenza evitando la miscelazione delle due soluzioni.:76-91
Con questi modelli di elettrodi, il voltmetro rileva differenze di potenziale di ±1400 millivolt. Gli elettrodi sono ulteriormente progettati per equilibrare rapidamente con soluzioni di test per facilitare la facilità d’uso. I tempi di equilibratura sono in genere meno di un secondo, anche se i tempi di equilibratura aumentano con l’età degli elettrodi.: 164
MaintenanceEdit
A causa della sensibilità degli elettrodi ai contaminanti, la pulizia delle sonde è essenziale per la precisione e la precisione. Le sonde sono generalmente mantenute umide quando non in uso con un mezzo appropriato per la particolare sonda, che è tipicamente una soluzione acquosa disponibile dai produttori di sonde. I produttori di sonde forniscono istruzioni per la pulizia e la manutenzione dei loro progetti di sonde. A titolo illustrativo, un produttore di pH di laboratorio fornisce istruzioni per la pulizia di contaminanti specifici: pulizia generale (15 minuti in ammollo in una soluzione di candeggina e detergente), sale (soluzione di acido cloridrico seguita da idrossido di sodio e acqua), grasso (detergente o metanolo), giunzione di riferimento intasata (soluzione KCl), depositi proteici (pepsina e HCl, soluzione all ‘ 1%) e bolle d’aria.
Calibrazione e operazionemodifica
L’Istituto tedesco per la standardizzazione pubblica uno standard per la misurazione del pH utilizzando phmetri, DIN 19263.
Misurazioni molto precise richiedono che il phmetro sia calibrato prima di ogni misurazione. Più tipicamente la calibrazione viene eseguita una volta al giorno di funzionamento. La calibrazione è necessaria perché l’elettrodo di vetro non fornisce potenziali elettrostatici riproducibili per periodi di tempo più lunghi.:238-239
Coerentemente con i principi di buona pratica di laboratorio, la calibrazione viene eseguita con almeno due soluzioni tampone standard che coprono l’intervallo di valori di pH da misurare. Per scopi generali, sono adatti tamponi a pH 4,00 e pH 10,00. Il pH-metro ha un controllo di calibrazione per impostare la lettura del contatore pari al valore del primo buffer standard e un secondo controllo per regolare la lettura del contatore al valore del secondo buffer. Un terzo controllo consente di impostare la temperatura. Le bustine tampone standard, disponibili presso una varietà di fornitori, di solito documentano la dipendenza dalla temperatura del controllo del buffer. Misure più precise a volte richiedono la calibrazione a tre diversi valori di pH. Alcuni misuratori di pH forniscono una correzione integrata del coefficiente di temperatura, con termocoppie di temperatura nelle sonde degli elettrodi. Il processo di calibrazione correla la tensione prodotta dalla sonda (circa 0,06 volt per unità di pH) con la scala del pH. Una buona pratica di laboratorio impone che, dopo ogni misurazione, le sonde vengano risciacquate con acqua distillata o acqua deionizzata per rimuovere eventuali tracce della soluzione da misurare, asciugate con un panno scientifico per assorbire l’acqua rimanente, che potrebbe diluire il campione e quindi alterare la lettura, e quindi immerse in una soluzione di stoccaggio adatta al particolare tipo di sonda.