werkingsprincipe
potentiometrische pH-meters Meten de spanning tussen twee elektroden en geven het resultaat weer omgezet in de overeenkomstige pH-waarde. Ze bestaan uit een eenvoudige elektronische versterker en een paar elektroden, of een combinatie elektrode, en een vorm van display gekalibreerd in pH-eenheden. Het heeft meestal een glaselektrode en een referentie-elektrode, of een combinatie-elektrode. De elektroden, of sondes, worden in de te testen oplossing geplaatst.
het ontwerp van de elektroden is het belangrijkste onderdeel: Dit zijn staafachtige structuren meestal gemaakt van glas, met een lamp met de sensor aan de onderkant. De glazen elektrode voor het meten van de pH heeft een glazen bol die speciaal is ontworpen om selectief te zijn voor de waterstof-ionenconcentratie. Bij onderdompeling in de te testen oplossing wisselen waterstofionen in de testoplossing in plaats van andere positief geladen ionen op de glazen bol, waardoor een elektrochemisch potentieel over de bol ontstaat. De elektronische versterker detecteert het verschil in elektrisch potentiaal tussen de twee elektroden die bij de meting worden gegenereerd en zet het potentiaal verschil om in pH-eenheden. De grootte van de elektrochemische potentiaal over de glazen bol is lineair gerelateerd aan de pH volgens de Nernst vergelijking.
De referentieelektrode is ongevoelig voor de pH van de oplossing en bestaat uit een metalen geleider die op het display wordt aangesloten. Deze geleider wordt ondergedompeld in een elektrolytenoplossing, typisch kaliumchloride, die via een poreus keramisch membraan in contact komt met de testoplossing. Het display bestaat uit een voltmeter, die de spanning weergeeft in eenheden van pH.
bij onderdompeling van de glaselektrode en de referentieelektrode in de testoplossing wordt een elektrisch circuit voltooid, waarin een potentiaalverschil wordt gecreëerd en gedetecteerd door de voltmeter. Het circuit kan worden beschouwd als gaande van het geleidende element van de referentieelektrode naar de omringende kaliumchlorideoplossing, door het keramische membraan naar de testoplossing, het waterstof-ion-selectieve glas van de glaselektrode, naar de oplossing in de glaselektrode, naar het zilver van de glaselektrode en tenslotte de voltmeter van het weergaveapparaat. De spanning varieert van testoplossing tot testoplossing, afhankelijk van het potentiaalverschil dat ontstaat door het verschil in waterstof-ionconcentraties aan elke kant van het glasmembraan tussen de testoplossing en de oplossing in de glaselektrode. Alle andere potentiële verschillen in het circuit variëren niet met de pH en worden gecorrigeerd door middel van de kalibratie.
voor de eenvoud gebruiken veel pH-meters een combinatiesonde, vervaardigd met de glaselektrode en de referentieelektrode in één enkele sonde. Een gedetailleerde beschrijving van de combinatie elektroden wordt gegeven in het artikel over glazen elektroden.
de pH-meter wordt gekalibreerd met oplossingen met een bekende pH, meestal vóór elk gebruik, om de nauwkeurigheid van de meting te garanderen. Om de pH van een oplossing te meten, worden de elektroden gebruikt als sondes, die in de testoplossingen worden gedompeld en lang genoeg worden gehouden om de waterstofionen in de testoplossing in evenwicht te brengen met de ionen op het oppervlak van de bol op de glaselektrode. Deze equilibratie zorgt voor een stabiele pH-meting.
pH-elektrode en referentie-elektrode designEdit
Details van de fabricage en de resulterende microstructuur van het glazen membraan van de pH-elektrode worden door de fabrikanten als bedrijfsgeheimen gehandhaafd.: 125 echter, bepaalde aspecten van het ontwerp worden gepubliceerd. Glas is een vaste elektrolyt, waarvoor alkalimetaalionen stroom kunnen dragen. Het pH-gevoelige glasmembraan is over het algemeen bolvormig om de vervaardiging van een uniform membraan te vereenvoudigen. Deze membranen zijn tot 0,4 millimeter dik, dikker dan de oorspronkelijke ontwerpen, om de sondes duurzaam te maken. Het glas heeft silicaat chemische functionaliteit op het oppervlak, die bindingsplaatsen biedt voor alkalimetaalionen en waterstofionen uit de oplossingen. Dit levert een ionenuitwisselingscapaciteit op van 10-6 tot 10-8 mol / cm2. De selectiviteit voor waterstofionen (H+) vloeit voort uit een evenwicht tussen ionische lading, volumevereisten ten opzichte van andere ionen en het coördinatieaantal van andere ionen. Fabrikanten van elektroden hebben samenstellingen ontwikkeld die deze factoren, met name lithiumglas, goed in evenwicht brengen.:113-139
De zilverchlorideelektrode wordt het meest gebruikt als referentie-elektrode in pH-meters, hoewel sommige ontwerpen de verzadigde kalomelelektrode gebruiken. De zilverchlorideelektrode is eenvoudig te produceren en biedt een hoge reproduceerbaarheid. De referentieelektrode bestaat meestal uit een platinadraad die contact heeft met een Zilver/zilverchloridemengsel, dat wordt ondergedompeld in een kaliumchlorideoplossing. Er is een keramische plug, die dient als contact met de testoplossing, die een lage weerstand biedt en het mengen van de twee oplossingen voorkomt.:76-91
Met deze elektrodeontwerpen detecteert de voltmeter potentiële verschillen van ±1400 millivolt. De elektroden zijn verder ontworpen om snel equilibrate met testoplossingen om gebruiksgemak te vergemakkelijken. De equilibratietijden zijn meestal minder dan een seconde, hoewel de equilibratietijden toenemen naarmate de elektroden ouder worden.: 164
Maintenancedit
vanwege de gevoeligheid van de elektroden voor verontreinigingen, is de zuiverheid van de sondes essentieel voor nauwkeurigheid en precisie. De sondes worden over het algemeen vochtig gehouden wanneer niet in gebruik met een medium geschikt voor de bepaalde sonde, die typisch een waterige oplossing beschikbaar van sondefabrikanten is. Sondefabrikanten geven instructies voor het reinigen en onderhouden van hun sondeontwerpen. Ter illustratie, één maker van laboratorium-grade pH geeft reinigingsinstructies voor specifieke verontreinigingen: algemene reiniging (15 minuten weken in een oplossing van bleekmiddel en detergent), zout (oplossing van zoutzuur gevolgd door natriumhydroxide en water), vet (detergent of methanol), verstopte referentieverbinding (KCL-oplossing), eiwitafzettingen (pepsine en HCl, 1% – oplossing) en luchtbellen.
kalibratie en werking
het Duitse Instituut voor normalisatie publiceert een standaard voor pH-meting met behulp van pH-meters, DIN 19263.
zeer nauwkeurige metingen vereisen dat de pH-meter vóór elke meting wordt gekalibreerd. Meer typisch kalibratie wordt uitgevoerd eenmaal per dag van de operatie. Kalibratie is nodig omdat de glaselektrode over langere tijd geen reproduceerbaar elektrostatisch potentieel geeft.:238-239
overeenkomstig de beginselen van goede laboratoriumpraktijken wordt kalibratie uitgevoerd met ten minste twee standaardbufferoplossingen die het bereik van de te meten pH-waarden overspannen. Voor algemene doeleinden zijn buffers bij pH 4.00 en pH 10.00 geschikt. De pH-meter heeft één kalibratiecontrole om de meterwaarde gelijk te stellen aan de waarde van de eerste standaardbuffer en een tweede controle om de meterwaarde aan te passen aan de waarde van de tweede buffer. Een derde controle maakt het mogelijk om de temperatuur in te stellen. Standaard bufferzakjes, verkrijgbaar bij verschillende leveranciers, documenteren meestal de temperatuurafhankelijkheid van de bufferregeling. Nauwkeurigere metingen vereisen soms kalibratie bij drie verschillende pH-waarden. Sommige pH-meters bieden ingebouwde temperatuur-coëfficiënt correctie, met temperatuur thermokoppels in de elektrodesondes. Het kalibratieproces correleert de door de sonde geproduceerde spanning (ongeveer 0,06 volt per pH-eenheid) met de pH-schaal. Goede laboratoriumpraktijken dicteren dat, na elke meting, de sondes worden gespoeld met gedestilleerd water of gedeïoniseerd water om eventuele sporen van de te meten oplossing te verwijderen, gevlokt met een wetenschappelijk doekje om het resterende water te absorberen, dat het monster zou kunnen verdunnen en dus de lezing veranderen, en vervolgens ondergedompeld in een opslagoplossing geschikt voor het specifieke Sondetype.