pH-meter - pH meter
En pH-måler er et vitenskapelig instrument som måler hydrogen-ion- aktiviteten i vannbaserte løsninger , og indikerer surhet eller alkalitet uttrykt som pH . PH-måleren måler forskjellen i elektrisk potensial mellom en pH-elektrode og en referanse-elektrode, og derfor blir pH-måleren noen ganger referert til som en "potensiometrisk pH-meter". Forskjellen i elektrisk potensial er knyttet til surhet eller pH i løsningen. PH-måleren brukes i mange applikasjoner, alt fra laboratorieeksperimentering til kvalitetskontroll .
applikasjoner
Hastigheten og utfallet av kjemiske reaksjoner som foregår i vann, avhenger ofte av surheten i vannet, og det er derfor nyttig å kjenne surheten til vannet, vanligvis målt ved hjelp av en pH-meter. Kunnskap om pH er nyttig eller kritisk i mange situasjoner, inkludert kjemiske laboratorieanalyser . pH-målere brukes til jordmålinger i landbruket , vannkvalitet for kommunale vannforsyninger, svømmebassenger , miljøsanering ; brygging av vin eller øl; produksjon , helsetjenester og kliniske anvendelser som blodkjemi ; og mange andre applikasjoner.
Fremskritt innen instrumentering og påvisning har utvidet antall applikasjoner der pH-målinger kan utføres. Enhetene har blitt miniatyrisert , noe som muliggjør direkte måling av pH i levende celler . I tillegg til å måle pH i væsker, er spesialdesignede elektroder tilgjengelig for å måle pH i halvfaste stoffer, for eksempel mat. Disse har tips som er egnet for piercing av halvfaste stoffer, har elektrodematerialer som er kompatible med ingredienser i maten, og er motstandsdyktige mot tilstopping.
Design og bruk
Prinsipp for drift
Potensiometriske pH-målere måler spenningen mellom to elektroder og viser resultatet omgjort til tilsvarende pH-verdi. De består av en enkel elektronisk forsterker og et par elektroder, eller alternativt en kombinasjonselektrode, og en eller annen form for display kalibrert i pH-enheter. Den har vanligvis en glasselektrode og en referanseelektrode , eller en kombinasjonselektrode. Elektrodene, eller sonder, settes inn i løsningen som skal testes.
Elektrodene er nøkkeldelen: Disse er stanglignende strukturer som vanligvis er laget av glass, med en pære som inneholder sensoren i bunnen. Glasselektroden for måling av pH har en glasspære som er spesielt designet for å være selektiv for hydrogenionkonsentrasjon. Ved nedsenking i løsningen som skal testes, bytter hydrogenioner i testløsningen ut med andre positivt ladede ioner på glasspæren, noe som skaper et elektrokjemisk potensial over pæren. Den elektroniske forsterkeren oppdager forskjellen i elektrisk potensial mellom de to elektrodene som genereres i målingen og konverterer potensialforskjellen til pH-enheter. Størrelsen på det elektrokjemiske potensialet over glasspæren er lineært relatert til pH i henhold til Nernst-ligningen .
Den referanseelektrode er ufølsom overfor pH-verdien i oppløsningen, er sammensatt av en metallisk leder, som kobles til skjermen. Denne lederen er nedsenket i en elektrolyttløsning, vanligvis kaliumklorid, som kommer i kontakt med testløsningen gjennom en porøs keramisk membran. Skjermen består av et voltmeter som viser spenning i enheter av pH.
Ved nedsenking av glasselektroden og referanseelektroden i testløsningen er en elektrisk krets fullført, der det er en potensiell forskjell skapt og oppdaget av voltmeteret. Kretsen kan tenkes å gå fra det ledende elementet i referanseelektroden til den omgivende kaliumkloridløsningen, gjennom den keramiske membranen til testløsningen, det hydrogen-ion-selektive glasset til glasselektroden, til løsningen inne i glasselektrode, til sølv fra glasselektroden, og til slutt voltmeteret til skjermenheten. Spenningen varierer fra testløsning til testløsning, avhengig av potensialforskjellen som er skapt av forskjellen i hydrogen-ion-konsentrasjoner på hver side av glassmembranen mellom testløsningen og løsningen inne i glasselektroden. Alle andre potensielle forskjeller i kretsen varierer ikke med pH og korrigeres ved hjelp av kalibreringen.
For enkelhets skyld bruker mange pH-målere en kombinasjonssonde, konstruert med glasselektroden og referanseelektroden inne i en enkelt sonde. En detaljert beskrivelse av kombinasjonselektroder er gitt i artikkelen om glasselektroder .
PH-måleren er kalibrert med oppløsninger med kjent pH, vanligvis før hver bruk, for å sikre nøyaktigheten av målingen. For å måle pH i en løsning, brukes elektrodene som sonder, som dyppes i testløsninger og holdes der tilstrekkelig lenge til at hydrogenionene i testløsningen blir likevektige med ionene på overflaten av pæren på glasselektroden. . Denne ekvilibreringen gir en stabil pH-måling.
pH-elektrode og referanseelektrodedesign
Detaljer om fabrikasjonen og den resulterende mikrostrukturen av glassmembranen til pH-elektroden opprettholdes som handelshemmeligheter av produsentene. Imidlertid er visse aspekter ved design publisert. Glass er en solid elektrolytt som alkalimetallioner kan bære strøm for. Den pH-sensitive glassmembranen er generelt sfærisk for å forenkle fremstillingen av en ensartet membran. Disse membranene har en tykkelse på opptil 0,4 millimeter, tykkere enn originale design, for å gjøre probene holdbare. Glasset har silikatkjemisk funksjonalitet på overflaten, som gir bindingssteder for alkalimetallioner og hydrogenioner fra løsningene. Dette gir en ionebyttekapasitet i området 10 −6 til 10 −8 mol / cm 2 . Selektivitet for hydrogenioner (H + ) oppstår fra en balanse mellom ionisk ladning, volumkrav i forhold til andre ioner, og koordinasjonstallet til andre ioner. Elektrodeprodusenter har utviklet komposisjoner som passende balanserer disse faktorene, særlig litiumglass.
Den sølvklorid-elektroden er mest brukt som en referanse-elektrode i pH-meter, selv om enkelte utførelser bruker den mettede kalomel-elektrode . Sølvkloridelektroden er enkel å produsere og gir høy reproduserbarhet . Referanseelektroden består vanligvis av en platinatråd som har kontakt med en sølv / sølvkloridblanding, som er nedsenket i en kaliumkloridoppløsning. Det er en keramisk plugg, som fungerer som en kontakt til testløsningen, og gir lav motstand mens den hindrer blanding av de to løsningene.
Med disse elektrodekonstruksjonene oppdager voltmeteret potensielle forskjeller på ± 1400 millivolt. Elektrodene er videre designet for å raskt ekvilibrere med testløsninger for å lette brukervennligheten . Ekvilibreringstiden er vanligvis mindre enn ett sekund, selv om ekvilibreringstiden øker når elektrodene eldes.
Vedlikehold
På grunn av elektrodenes følsomhet overfor forurensninger, er probenes renhet avgjørende for nøyaktighet og presisjon . Sonder holdes vanligvis fuktige når de ikke brukes med et medium som er passende for den spesielle sonden, som vanligvis er en vandig løsning tilgjengelig fra sondprodusenter. Sondeprodusenter gir instruksjoner for rengjøring og vedlikehold av sondeutformingen. For illustrasjon, gir en produsent av laboratoriekvalitets-pH rengjøringsinstruksjoner for spesifikke forurensninger: generell rengjøring (15 minutter i bløt i en løsning av blekemiddel og vaskemiddel), salt (saltsyreoppløsning etterfulgt av natriumhydroksid og vann), fett (vaskemiddel eller metanol), tett referansekryss (KCl-løsning), proteinavleiringer (pepsin og HCl, 1% løsning) og luftbobler.
Kalibrering og drift
Det tyske institutt for standardisering publiserer en standard for pH-måling ved bruk av pH-målere, DIN 19263.
Svært nøyaktige målinger krever at pH-måleren kalibreres før hver måling. Kalibrering utføres mer en gang per døgn. Kalibrering er nødvendig fordi glasselektroden ikke gir reproduserbare elektrostatiske potensialer over lengre perioder.
I samsvar med prinsippene for god laboratoriepraksis , utføres kalibrering med minst to standard bufferløsninger som spenner over pH-verdiene som skal måles. For generelle formål er buffere ved pH 4,00 og pH 10,00 egnet. PH-måleren har en kalibreringskontroll for å sette måleravlesningen lik verdien av den første standardbufferen og en andre kontroll for å justere måleravlesningen til verdien av den andre bufferen. En tredje kontroll gjør at temperaturen kan stilles inn. Standard bufferposer, tilgjengelig fra en rekke leverandører, dokumenterer vanligvis temperaturavhengigheten til bufferkontrollen. Mer presise målinger krever noen ganger kalibrering ved tre forskjellige pH-verdier. Noen pH-målere gir innebygd korreksjon med temperatur-koeffisient, med temperatur- termoelementer i elektrodesondene. Kalibreringsprosessen korrelerer spenningen som produseres av sonden (ca. 0,06 volt per pH-enhet) med pH-skalaen. God laboratoriepraksis tilsier at prøvene etter hver måling skylles med destillert vann eller avionisert vann for å fjerne spor av oppløsningen som måles, blottet med en vitenskapelig tørk for å absorbere gjenværende vann, som kan fortynne prøven og dermed endre lesing, og deretter nedsenkes i en lagringsløsning som er egnet for den spesielle sondetypen.
Typer pH-meter
Generelt er det tre hovedkategorier av pH-målere. PH-målere på benkeplater brukes ofte i laboratorier og brukes til å måle prøver som blir brakt til pH-måleren for analyse. Bærbare, eller felt-pH-målere, er håndholdte pH-målere som brukes til å ta pH i en prøve i et felt eller produksjonssted. In-line eller in situ pH-målere, også kalt pH-analysatorer, brukes til å måle pH kontinuerlig i en prosess, og kan være frittstående eller kobles til et informasjonssystem på høyere nivå for proseskontroll.
pH-målere spenner fra enkle og rimelige pennelignende enheter til komplekse og dyre laboratorieinstrumenter med datagrensesnitt og flere innganger for indikator- og temperaturmålinger som skal angis for å justere for variasjonen i pH forårsaket av temperatur. Utgangen kan være digital eller analog, og enhetene kan være batteridrevne eller stole på nettstrøm . Noen versjoner bruker telemetri for å koble elektrodene til voltmetervisningsenheten.
Spesialmålere og sonder er tilgjengelige for bruk i spesielle applikasjoner, som tøffe miljøer og biologiske mikromiljøer. Det er også holografiske pH-sensorer, som tillater pH-måling kolorimetrisk , og bruker de forskjellige pH-indikatorene som er tilgjengelige. I tillegg er det kommersielt tilgjengelige pH-målere basert på solid state-elektroder , i stedet for konvensjonelle glasselektroder.
Historie
Begrepet pH ble definert i 1909 av SPL Sørensen , og elektroder ble brukt til pH-måling på 1920-tallet.
I oktober 1934 registrerte Arnold Orville Beckman det første patentet på et komplett kjemisk instrument for måling av pH, US patent nr. 2.058.761, for sitt "surimeter", senere omdøpt til pH-måleren. Beckman utviklet prototypen som assisterende professor i kjemi ved California Institute of Technology , da han ble bedt om å utarbeide en rask og nøyaktig metode for å måle surheten i sitronsaft til California Fruit Growers Exchange ( Sunkist ).
8. april 1935 fokuserte Beckmans omdøpte National Technical Laboratories på produksjon av vitenskapelige instrumenter, med Arthur H. Thomas Company som distributør for pH-måleren. I sitt første hele salgsår, 1936, solgte selskapet 444 pH-meter for $ 60 000 i salg. I årene som kommer solgte selskapet millioner av enhetene. I 2004 ble Beckman pH-måler utpekt som et ACS National Historic Chemical Landmark i erkjennelse av dets betydning som den første kommersielt vellykkede elektroniske pH-måleren.
Den Radio Corporation of Denmark ble grunnlagt i 1935, og begynte å markedsføre et pH-meter for medisinsk bruk rundt 1936, men "utvikling av automatiske pH-meter for industriformål ble neglisjert. I stedet amerikanske instrumentmakere hell utviklet industri pH-meter med et bredt en rekke bruksområder, for eksempel i bryggerier, papirverk, alunverk og vannbehandlingssystemer. "
På 1940-tallet var elektrodene for pH-målere ofte vanskelige å lage, eller upålitelige på grunn av sprøtt glass. Dr. Werner Ingold begynte å industrialisere produksjonen av enkeltstangsmåleceller, en kombinasjon av måle- og referanseelektrode i en konstruksjonsenhet, noe som førte til bredere aksept i en rekke bransjer, inkludert farmasøytisk produksjon.
Beckman markedsførte en bærbar "Pocket pH Meter" allerede i 1956, men den hadde ikke en digital avlesning. På 1970-tallet designet og produserte Jenco Electronics i Taiwan den første bærbare digitale pH-måleren. Denne måleren ble solgt under merket til Cole-Parmer Corporation .
Å bygge en pH-meter
Spesialproduksjon er nødvendig for elektrodene, og detaljer om design og konstruksjon er vanligvis forretningshemmeligheter. Imidlertid, ved kjøp av passende elektroder, kan et standard multimeter brukes til å fullføre konstruksjonen av pH-måleren. Imidlertid tilbyr kommersielle leverandører voltmeter-skjermer som forenkler bruk, inkludert kalibrering og temperaturkompensasjon.
Se også
- Ionselektive elektroder
- ISFET pH-elektrode
- Potensiometri
- Kinhydronelektrode
- Mettet kalomelektrode
- Sølvkloridelektrode
- Standard hydrogenelektrode
Referanser
Eksterne linker
- Introduksjon til pH-måling - Oversikt over pH og pH-måling på Omega Engineering-nettstedet
- Utvikling av Beckman pH Meter - National Historic Chemical Landmark of the American Chemical Society
- pH-målehåndbok - En publikasjon av Thermo-Scientific Co.