| Ιστορία Το ιστορικό της μέτρησης της οξύτητας των υγρών άρχισε ηλεκτρικά το 1906 όταν ο Max Cremer στις μελέτες του για τις υγρές διεπαφές [1] (αλληλεπιδράσεις μεταξύ υγρών και στερεών) ανακάλυψε ότι η διεπαφή μεταξύ υγρών μπορούσε να μελετηθεί με εμφύσηση μιας λεπτής φυσαλίδας από γυαλί και τοποθέτηση υγρό μέσα σε αυτό και άλλο έξω. Δημιούργησε ένα ηλεκτρικό δυναμικό που θα μπορούσε να μετρηθεί. |
Αυτή η ιδέα υιοθετήθηκε περαιτέρω από τον Fritz Haber (ο οποίος εφευρέθηκε η σύνθεση αμμωνίας και τεχνητού λιπάσματος) και τον Zygmunt Klemsiewicz [2], ο οποίος ανακάλυψε ότι ο γυάλινος βολβός (ο οποίος ονόμασε γυάλινο ηλεκτρόδιο ) θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της δραστηριότητας ιόντων υδρογόνου μια λογαριθμική λειτουργία.
Ο Δανός βιοχημικός Soren Sorensen έπειτα εφευρέθηκε η κλίμακα pH το 1909.
Επειδή η αντίσταση στον τοίχο του γυαλιού είναι πολύ υψηλή, τυπικά μεταξύ 10 και 100 Mega-Ohm, η τάση υάλου ηλεκτροδίου δεν μπορούσε να μετρηθεί με ακρίβεια μέχρι να εφευρεθούν οι σωλήνες ηλεκτρονίων. Αργότερα, η εφεύρεση των τρανζίστορ πεδίου δράσης (FETs) και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (ICs) με αντιστάθμιση θερμοκρασίας, κατέστησε δυνατή την ακριβή μέτρηση της τάσης υάλου υάλου. Η τάση που παράγεται από μία μονάδα ρΗ (π. Χ. Από ρΗ = 7,00 έως 8,00) είναι τυπικά περίπου 60 mV (milli Volt). Οι παρόντες μετρητές pH περιέχουν μικροεπεξεργαστές που πραγματοποιούν τις απαραίτητες διορθώσεις για τη θερμοκρασία και τη βαθμονόμηση. Παρόλα αυτά, οι σύγχρονοι μετρητές pH εξακολουθούν να υποφέρουν από μετατόπιση (αργές αλλαγές), γεγονός που καθιστά απαραίτητη την τακτική βαθμονόμησή τους.
Έχουν επίσης πραγματοποιηθεί βελτιώσεις στη χημεία του γυαλιού έτσι ώστε να μπορεί να σταματήσει η ρύπανση από ιόντα αλάτων και αλογόνων. Το ηλεκτρόδιο αναφοράς, το οποίο παραδοσιακά χρησιμοποίησε χλωριούχο άργυρο (AgCl), έχει αντικατασταθεί από το ηλεκτρόδιο καλομέλλου (χλωριούχο μερρούχο , HgCl2) το οποίο χρησιμοποιεί χλωριούχο υδράργυρο (HgCl) σε διάλυμα χλωριούχου καλίου (KCl) ως πήκτωμα (όπως ζελατίνη). Αλλά τα ηλεκτρόδια δεν έχουν αιώνια ζωή και πρέπει να αντικαθίστανται όταν παρασύρονται απαράδεκτα ή παίρνουν ασυνήθιστα πολύ για να εγκατασταθούν.
[1] Cremer Μ (1906): Ζ. ΒίοΙ, 47, 562
[2] Haber F και Z Klemensiewicz (1909): Z. Physik. Chem., 67, 385
Ένας μετρητής pH μετρά ουσιαστικά το ηλεκτροχημικό δυναμικό μεταξύ ενός γνωστού υγρού μέσα στο γυάλινο ηλεκτρόδιο (μεμβράνη) και ένα άγνωστο υγρό έξω. Επειδή ο λεπτός γυάλινος βολβός επιτρέπει κυρίως τα ευκίνητα και μικρά ιόντα υδρογόνου να αλληλεπιδράσουν με το γυαλί, το γυάλινο ηλεκτρόδιο μετράει το ηλεκτροχημικό δυναμικό ιόντων υδρογόνου ή το δυναμικό υδρογόνου . Για την ολοκλήρωση του ηλεκτρικού κυκλώματος απαιτείται επίσης ηλεκτρόδιο αναφοράς. Σημειώστε ότι το όργανο δεν μετρά ένα ρεύμα αλλά μόνο μια ηλεκτρική τάση, όμως απαιτείται μια μικρή διαρροή ιόντων από το ηλεκτρόδιο αναφοράς, σχηματίζοντας μια αγώγιμη γέφυρα στο γυάλινο ηλεκτρόδιο. Επομένως, ένα μετρητή pH δεν πρέπει να χρησιμοποιείται για τη μετακίνηση υγρών χαμηλής αγωγιμότητας (προτιμάται επομένως η μέτρηση μέσα σε μικρά δοχεία).
 Το μετρητή pH μετράει το ηλεκτρικό δυναμικό (ακολουθεί το σχέδιο από το μετρητή) μεταξύ του χλωριούχου υδραργύρου του ηλεκτροδίου αναφοράς και του υγρού του χλωριούχου καλίου, του άγνωστου υγρού, του διαλύματος μέσα στο γυάλινο ηλεκτρόδιο και του δυναμικού μεταξύ αυτής της λύσης και το ηλεκτρόδιο αργύρου. Αλλά μόνο το δυναμικό μεταξύ του άγνωστου υγρού και του διαλύματος μέσα στο γυάλινο ηλεκτρόδιο αλλάζει από δείγμα σε δείγμα. Επομένως όλα τα άλλα δυναμικά μπορούν να βαθμονομηθούν από την εξίσωση. |
Το ηλεκτρόδιο αναφοράς calomel αποτελείται από έναν γυάλινο σωλήνα με ηλεκτρολύτη χλωριούχου καλίου (KCl) ο οποίος βρίσκεται σε στενή επαφή με ένα στοιχείο χλωριούχου υδραργύρου στο τέλος ενός στοιχείου KCL. Πρόκειται για μια εύθραυστη κατασκευή, η οποία συνδέεται με μια άκρη υγρού συνδέσμου κατασκευασμένη από πορώδες κεραμικό ή παρόμοιο υλικό. Αυτό το είδος ηλεκτροδίου δεν είναι εύκολα «δηλητηριασμένο» από βαρέα μέταλλα και νάτριο.
Το γυάλινο ηλεκτρόδιο αποτελείται από ένα ανθεκτικό γυάλινο σωλήνα με ένα λεπτό γυάλινο βολβό συγκολλημένο σε αυτό. Μέσα είναι μια γνωστή λύση χλωριούχου καλίου (KCl) που έχει ρυθμιστεί σε ρΗ 7,0. Ένα ηλεκτρόδιο αργύρου με άκρη χλωριούχου αργύρου έρχεται σε επαφή με το εσωτερικό διάλυμα. Για να ελαχιστοποιηθεί η ηλεκτρονική παρεμβολή, ο ανιχνευτής είναι θωρακισμένος από μια ασπίδα φύλλου, που συχνά βρίσκεται μέσα στο γυάλινο ηλεκτρόδιο.
Οι περισσότεροι σύγχρονοι μετρητές pH διαθέτουν επίσης αισθητήρα θερμοκρασίας αντιστάθμισης θερμοκρασίας, ο οποίος επιτρέπει την αυτόματη διόρθωση θερμοκρασίας, καθώς το pH ποικίλλει κάπως με τη θερμοκρασία.
| Το νερό είναι η πιο σημαντική και θαυματουργή ουσία στη Γη. Τα μόρια του HOH σχηματίζουν ένα σχήμα μπούμερανγκ με το άκρο Ο ελαφρώς αρνητικό και το άκρο Η2 + ελαφρώς θετικά φορτισμένο. Αυτά τα φορτισμένα μπούμερανγκ προσελκύονται το ένα από το άλλο, σχηματίζοντας νησίδες συνοχής, έτσι ώστε το νερό να σχηματίζει ένα υγρό σε θερμοκρασίες όπου η ζωή ευδοκιμεί, ενώ θα έπρεπε πραγματικά να είναι ένα πολύ πτητικό αέριο όπως το υδρόθειο (H2S) που έχει σχεδόν διπλάσιο μοριακό βάρος. Στην επιφάνεια της Γης, το νερό εμφανίζεται σε στερεή μορφή (πάγος), υγρό (νερό) και αέρια μορφή (ατμός ή υδρατμός). Στις ψυχρές περιοχές συνυπάρχουν και οι τρεις φάσεις. Το νερό είναι επίσης μοναδικό στο ότι είναι ένα οξύ (με ιόντα Η +) και ένα λίκνο (με ιόντα OH). Επομένως είναι ταυτόχρονα όξινο και βασικό (αλκαλικό), προκαλώντας αυστηρά ουδέτερο χαρακτήρα, καθώς ο αριθμός των ιόντων Η + ισούται με τον αριθμό των ιόντων OH. Λόγω της ισχυρής συνοχής του, μόνο μερικά μόρια νερού διαχωρίζονται (διαίρεσαν) στα συστατικά τους ιόντα: ιόντα υδρογόνου (Η +) και ιόντα υδροξυλίου (ΟΗ-). Οι χημικοί θα επέμεναν ότι τα ιόντα Η + είναι πραγματικά ιόντα Η3Ο + ή ιόντα υδρογόνου. Γνωρίζοντας ότι ένας γραμμομοριακός όγκος νερού ζυγίζει 18 γραμμάρια (1 + 1 + 16), που ισοδυναμεί με 18ml, και ότι αυτή η ποσότητα περιέχει πολύ μεγάλο αριθμό μορίων [1], μόνο 0,1 εκατομμύριο ( 10-7 ) mol διαχωρίζονται σε ένα λίτρο νερού (ρΗ = 7). [2] Η διαφορά δυναμικού μεταξύ του εσωτερικού του γυάλινου ηλεκτροδίου και του εξωτερικού προκαλείται από τα οξείδια του πυριτίου στην πλευρά του γυαλιού: Μόλις καθοριστεί η ιονική ισορροπία, η διαφορά δυναμικού μεταξύ του γυάλινου τοιχώματος και του διαλύματος δίνεται από την εξίσωση: Αν και τα σύγχρονα γυάλινα ηλεκτρόδια pH έχουν σημειώσει σημαντικές βελτιώσεις, εξακολουθούν να μην τους αρέσουν κάποιες ουσίες με χαμηλά ιόντα Η +, όπως υδροξείδια αλκαλίων (NaOH και KOH), καθαρό απεσταγμένο νερό, ουσίες χάραξης όπως φθοριούχο, απορροφητικές ουσίες όπως βαρέα μέταλλα και πρωτεΐνες. Οι περισσότεροι σύγχρονοι μετρητές pH έχουν ενσωματωμένους αισθητήρες θερμοκρασίας για να διορθώνουν αυτόματα την απόκλιση θερμοκρασίας για να δίνουν τιμές σαν να λαμβάνονται σε κανονική θερμοκρασία 25 ° C. Η ανάγνωση δεν επηρεάζεται από τη θερμοκρασία σε pH = 7,00, αλλά εκτός αυτής από 0,003 ανά ºC. Έτσι, το pH που λαμβάνεται στους 5ºC (20º από τους 25ºC), το οποίο δείχνει 4.00, πρέπει να διορθωθεί προς τα κάτω κατά 0.003 x 20 x 3.00 = 0.18. Ομοίως, μια τιμή pH 10,00 πρέπει να διορθωθεί προς τα πάνω από αυτό το ποσό. |
Η φροντίδα για ένα μετρητή pH εξαρτάται από τους τύπους ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται. Μελετήστε τις συστάσεις του κατασκευαστή. Όταν χρησιμοποιείται συχνά, είναι καλύτερο να διατηρείται το ηλεκτρόδιο υγρό, αφού η ενυδάτωση ενός ξηρού ηλεκτροδίου διαρκεί πολύ και συνοδεύεται από μετατόπιση σήματος. Ωστόσο, οι σύγχρονοι μετρητές pH δεν εξαντλούν τα ηλεκτρόδια τους να στεγνώνουν, εφόσον έχουν ξεπλυθεί καλά στο νερό της βρύσης ή στο χλωριούχο κάλιο. Κατά την αποστολή, μετρώντας το θαλασσινό νερό, ο μετρητής pH μπορεί να παραμείνει υγρός με θαλασσινό νερό. Ωστόσο, για παρατεταμένες περιόδους, συνιστάται η υγρασία του με ένα διάλυμα χλωριούχου καλίου σε pH = 4 ή στο pH = 4,01 όξινο ρυθμιστικό διάλυμα βαθμονόμησης. Τα pH δεν αρέσουν να αφήνονται στο αποσταγμένο νερό.
Σημειώστε ότι ένας ανιχνευτής pH που διατηρείται υγρός σε ένα όξινο διάλυμα, μπορεί να επηρεάσει τα αποτελέσματα όταν δεν ξεπλυθεί πριν το εισαγάγει στο φιαλίδιο της δοκιμής. Θυμηθείτε ότι ένα υγρό με ρΗ = 4 έχει 10.000 περισσότερα ιόντα υδρογόνου από ένα υγρό με ρΗ = 8. Έτσι, μια μοναδική σταγόνα pH = 4 σε ένα φιαλίδιο που μετρά 400 σταγόνες pH = 8 ανατρέπει τις μετρήσεις! Θυμηθείτε επίσης ότι τα διαλύματα βαθμονόμησης αποτελούνται από χημικά ρυθμιστικά που «προσπαθούν» να διατηρούν τα επίπεδα pH σταθερά, έτσι η μόλυνση του δοκιμαστικού φιαλιδίου σας με ένα ρυθμιστικό είναι πραγματικά σοβαρή.
[1] Η σταθερά του Avogadro είναι 602.213.670.000.000.000.000.000 (602.214 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια) ή 6.02Ε23, που ονομάστηκε προς τιμή του Αμνέο Αβογκάντο. Ένα γραμμομόριο μιας χημικής ουσίας περιέχει αυτόν τον αριθμό μορίων. Ο Amedeo Avogadro (1776-1856) ήταν Ιταλός φυσικός. Πρότεινε το 1811 τη διάσημη υπόθεση του, που σήμερα είναι γνωστή ως νόμος του Avogadro. Ο νόμος δήλωνε ότι ίσοι όγκοι όλων των αερίων στην ίδια θερμοκρασία και πίεση περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων. Το Avogadro διακρίνει επίσης μεταξύ ενός ατόμου και ενός μορίου και καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό ενός σωστού πίνακα ατομικών βαρών.
[2] Στην ιστοσελίδα Seafriends χρησιμοποιούμε συχνά την εκθετική σημείωση E, έτσι ώστε το 2.34E-4 να σημαίνει 2.34 x 10 -4 .
| 0 | 5% Θειικό οξύ, H2SO4, οξύ μπαταρίας. |
| 1 | 0,1 Ν HCl, υδροχλωρικό οξύ (1,1) |
| 2 | Χυμός λεμονιού. Ξίδι (2.4-3.4) |
| 3 | κρασί (3,5-3,7) |
| 4 | Χυμός πορτοκάλι. Χυμοί μήλων (3.8). Μπύρα. Ντομάτες. |
| 5 | Τυροκομείο. Σκετος ΚΑΦΕΣ. Βροχόπτωση 5.6. |
| 6 | Γάλα. Ψάρια (6.7-7). κοτόπουλο (6,4-6,6). |
| 7 | Ουδέτερο: ίσο αριθμό ιόντων υδρογόνου και υδροξυλίου. Αίμα (7.3-7.4). Αποσταγμένο νερό χωρίς CO2 μετά το βρασμό. |
| 8 | Θαλασσινό νερό (8.1). Ασπράδι αυγού. |
| 9 | Βόραξ. μαγειρική σόδα. |
| 10 | Γάλα μαγνησίας, υδροξείδιο μαγνησίου Mg (OH) 2. |
| 11 | Οικιακή αμμωνία |
| 12 | Φωτογραφικός υπεύθυνος ανάπτυξης, λευκαντικό οικιακής χρήσης |
| 13 | Καθαριστικό φούρνου |
| 14 | Νάτριο λινουτριούχου νατρίου, 1 mol / λίτρο. |
