pH Ölçümü

Birçok sıvı kimyasal proseste (endüstriyel, farmasötik, imalat, gıda üretimi, vb.) Çok önemli bir ölçüm pH ölçümüdür. Sıvı bir solüsyondaki hidrojen iyonu konsantrasyonunun ölçümü. Düşük pH değerine sahip bir çözelti “asit” olarak adlandırılırken, yüksek pH değerine sahip bir çözelti “kostik” olarak adlandırılır. Ortak pH ölçeği, 0’dan (güçlü asit) 14’e (güçlü kostik) uzanır ve ortadaki 7 saf suyu (nötr) temsil eder.

pH şu şekilde tanımlanır: pH’daki küçük harf “p” negatif ortak (on tabanı) logaritmayı, büyük harf “H” ise hidrojen elementini temsil eder. Bu nedenle pH, çözelti litresi başına hidrojen iyonlarının (H +) mol sayısının logaritmik bir ölçümüdür. Bu arada, “p” öneki, logaritmik bir ölçeğin istendiği diğer kimyasal ölçüm türlerinde de kullanılır; pCO2 (Karbon Dioksit) ve pO2 (Oksijen) bu tür iki örnektir.

Logaritmik pH ölçeği şu şekilde çalışır: 10 olan bir çözelti, -12 litre başına H mol + iyonlarının, 12 bir pH’a sahiptir; 10 olan bir solüsyon -3 litre başına H + iyonları mol anlaşılır 0 ° C’nin altındaki bir pH ölçümü ve 14. Bu tür çözeltiler üzerinde bir pH’a sahip bir kostik ile bir asit gibi bir şey yoktur, çok sık olmasa da 3 bir pH değerine sahip oldukça konsantredir ve son derece reaktiftir.


pH Elektrotları

PH, belirli kimyasal tozlardaki renk değişiklikleriyle ölçülebilirken (“turnusol şeridi” lise kimya derslerinden tanıdık bir örnektir), sürekli proses izleme ve pH kontrolü daha karmaşık bir yaklaşım gerektirir. En yaygın yaklaşım, çözeltideki hidrojen iyonlarının seçici bir bariyerden geçmesine izin verecek şekilde tasarlanmış özel olarak hazırlanmış bir elektrotun kullanılmasıdır ve çözeltinin pH’ına orantılı ölçülebilir bir potansiyel (voltaj) farkı üretir.

PH elektrotlarının tasarımı ve operasyonel teorisi, burada sadece kısaca incelenen çok karmaşık bir konudur. Anlaşılması gereken önemli olan, bu iki elektrotun, çözeltinin pH’ıyla doğru orantılı bir voltaj oluşturmasıdır. PH 7’de (nötr), elektrotlar aralarında 0 volt üretecektir. Düşük pH’ta (asit) bir polaritede bir voltaj geliştirilecek ve yüksek bir pH’ta (kostik) zıt polaritede bir voltaj geliştirilecektir.


Ölçüm Elektrodu

PH elektrotlarının talihsiz bir tasarım kısıtlaması, bunlardan birinin ( ölçüm elektrodu olarak adlandırılır ), hidrojen iyonlarını çözelti içinde dolaşan diğer tüm iyonlardan ayırmak için gereken iyon seçici bariyeri oluşturmak için özel camdan yapılması gerektiğidir. Bu cam, kimyasal olarak lityum iyonlarıyla katkılanmıştır, bu da onun hidrojen iyonlarına elektrokimyasal olarak reaksiyona girmesini sağlayan şeydir. Elbette cam, tam olarak ” iletken ” dediğiniz şey değildir ; daha ziyade, son derece iyi bir yalıtkandır.

Amacımız iki elektrot arasındaki voltajı ölçmekse, bu büyük bir sorun teşkil eder. Bir elektrot temasından, cam bariyerden, çözelti içinden diğer elektroda ve diğer elektrotun kontağından geri dönen devre yolu, son derece yüksek dirençlidir.


Referans Elektrot

Diğer elektrot ( referans elektrot olarak adlandırılır ), gözenekli bir ayırıcı aracılığıyla proses çözeltisi ile iyon değişimine izin verilen nötr (7) pH tampon çözeltisinin (genellikle potasyum klorür) kimyasal bir çözeltisinden yapılır ve teste nispeten düşük dirençli bir bağlantı oluşturur. sıvı. İlk başta şu soru sorulabilir: Sıvıya elektrik bağlantısı sağlamak için neden çözeltiye metal bir tel batırılmasın? Bunun işe yaramamasının nedeni, metallerin iyonik çözeltilerde oldukça reaktif olma eğiliminde olmaları ve metal-sıvı teması ara yüzünde önemli bir voltaj üretebilmeleridir.

Ölçülen çözelti ile ıslak bir kimyasal arayüzün kullanılması, böyle bir voltajın oluşmasını önlemek için gereklidir; bu, şüphesiz herhangi bir ölçüm cihazı tarafından yanlış bir şekilde pH göstergesi olarak yorumlanacaktır.

İşte ölçüm elektrodunun yapısının bir örneği. PH voltajının üretildiği ince, lityum katkılı cam membrana dikkat edin.

İşte referans elektrotun yapısının bir örneği. Elektrotun altında gösterilen gözenekli bağlantı, potasyum klorür tamponu ve proses sıvısı arayüzünün birbirleriyle olduğu yerdir.

Ölçüm elektrodunun amacı, çözeltinin pH’ını ölçmek için kullanılan voltajı oluşturmaktır. Bu voltaj, gümüş teli voltajın bir tarafına ve sıvı çözeltiyi diğer tarafına yerleştirerek camın kalınlığı boyunca görünür. Referans elektrotun amacı, sıvı çözeltiye kararlı, sıfır voltajlı bağlantı sağlamaktır, böylece cam elektrot voltajını ölçmek için tam bir devre yapılabilir.

Referans elektrotun test sıvısına bağlantısı yalnızca birkaç kilo-ohm olabilirken, cam elektrotun direnci elektrot tasarımına bağlı olarak on ila dokuz yüz mega-ohm arasında değişebilir! Bu devredeki herhangi bir akımın her iki elektrotun dirençlerinden (ve test sıvısının kendisinin sunduğu direnç) geçmesi gerektiğinden , bu dirençler birbiriyle seri haldedir ve bu nedenle daha da büyük bir toplam yapmak için eklenir.

Sıradan bir analog veya hatta dijital voltmetre , bu kadar yüksek dirençli bir devredeki voltajı ölçmek için çok fazla düşük iç dirence sahiptir. Tipik bir pH prob devresinin eşdeğer devre şeması sorunu gösterir.

Devredeki her bir bileşenin (özellikle ölçüm elektrodunun cam membranı) yüksek direnci boyunca hareket eden çok küçük bir devre akımı bile, bu dirençler boyunca nispeten önemli voltaj düşüşleri oluşturacak ve sayaç tarafından görülen voltajı ciddi şekilde azaltacaktır. Daha da kötüsü, ölçüm elektrodunun ürettiği voltaj farkının milivolt aralığında (ideal olarak oda sıcaklığında pH birimi başına 59.16 milivolt) çok küçük olmasıdır. Bu görev için kullanılan sayaç çok hassas olmalı ve son derece yüksek bir giriş direncine sahip olmalıdır.

Bu ölçüm probleminin en yaygın çözümü, elektrot voltajını ölçmek için aşırı yüksek iç dirence sahip güçlendirilmiş bir ölçüm cihazı kullanmak ve böylece devreden mümkün olduğunca az akım çekmektir. Modern yarı iletken bileşenlerle , çok az güçlükle 10 17 Ω’a kadar giriş direncine sahip bir voltmetre yapılabilir. Çağdaş kullanımda nadiren görülen bir başka yaklaşım, test edilen devreden herhangi bir akım çekmeden bu gerilimi ölçmek için potansiyometrik bir “sıfır-denge” gerilim ölçüm düzeneği kullanmaktır . Bir teknisyen, bir çift pH elektrotu arasındaki voltaj çıkışını kontrol etmek isterse, bu muhtemelen bunu yalnızca standart tezgah üstü ölçüm ekipmanı kullanarak yapmanın en pratik yolu olacaktır.

Her zamanki gibi, hassas voltaj kaynağı, sıfır detektörü sıfırı kaydedinceye kadar teknisyen tarafından ayarlanacak, ardından voltaj okuması elde etmek için beslemeye paralel bağlanan voltmetre görüntülenecektir. Dedektör “sıfırlanmış” (tam olarak sıfır olarak kaydedilen) ile, pH elektrot devresinde sıfır akım olmalıdır ve bu nedenle, voltmetre terminallerinde gerçek elektrot voltajı vererek, elektrotlardan herhangi birinin dirençleri boyunca hiçbir voltaj düşmemelidir.

PH elektrotları için kablolama gereksinimleri, doğru ve güvenilir ölçüm için çok temiz bağlantılar ve kısa mesafeler (altın kaplamalı kontaklar ve korumalı kablo ile bile 10 yarda veya daha az) gerektiren termokupl kablolamadan daha şiddetli olma eğilimindedir. Bununla birlikte, termokupllarda olduğu gibi , elektrot pH ölçümünün dezavantajları, avantajlarla dengelenir: iyi doğruluk ve göreceli teknik basitlik.

Çok az enstrümantasyon teknolojisi, pH ölçümünün emrettiği hayranlık ve mistikliğe ilham verir, çünkü çok yaygın olarak yanlış anlaşılır ve giderilmesi zordur. PH ölçümünün tam kimyası üzerinde durmadan, burada pH ölçüm sistemleri hakkında birkaç bilgi verilebilir.

  • Tüm pH elektrotlarının sınırlı bir ömrü vardır ve bu ömür büyük ölçüde hizmetin türüne ve şiddetine bağlıdır. Bazı uygulamalarda, bir aylık pH elektrot ömrü uzun kabul edilebilir ve diğer uygulamalarda aynı elektrot (lar) ın bir yıldan fazla sürmesi beklenebilir.
  • Cam (ölçüm) elektrot, pH orantılı voltajı oluşturmaktan sorumlu olduğu için, ölçüm sisteminin belirli bir pH değişikliği için yeterli voltaj değişikliği üretememesi durumunda şüpheli olarak değerlendirilecek olanıdır (pH birimi başına yaklaşık 59 milivolt), veya test sıvısı pH’ındaki hızlı değişime yeterince hızlı yanıt vermiyor.
  • Bir pH ölçüm sistemi ofset hataları oluşturarak “saparsa”, sorun muhtemelen ölçülen çözelti ile sıfır voltaj bağlantısı sağlaması beklenen referans elektrotta yatar.
  • PH ölçümü, iyon konsantrasyonunun logaritmik bir temsili olduğundan, görünüşte basit olan 0-14 pH ölçeğinde temsil edilen inanılmaz bir proses koşulu aralığı vardır. Ayrıca, logaritmik ölçeğin doğrusal olmayan doğası nedeniyle, üst uçtaki 1 pH’lik bir değişiklik (örneğin, 12’den 13 pH’a), alt uçtaki 1 pH’lık bir değişiklik ile aynı miktarda kimyasal aktivite değişikliğini temsil etmez. (örneğin 2 ila 3 pH). Kontrol sistemi mühendisleri ve teknisyenleri, proses pH’ını sabit bir değerde kontrol etme umudu varsa, bu dinamiğin farkında olmalıdır .
  • Aşağıdaki koşullar, ölçüm (cam) elektrotları için tehlikelidir: yüksek sıcaklıklar, aşırı pH seviyeleri (asidik veya alkali), sıvıda yüksek iyonik konsantrasyon, aşınma, sıvıda hidroflorik asit (HF asit camı çözer!) Ve her türlü cam yüzeyinde malzeme kaplama.
  • Ölçülen sıvıdaki sıcaklık değişiklikleri, hem ölçüm elektrodunun belirli bir pH seviyesine tepkisini (ideal olarak pH birimi başına 59 mV’de) hem de sıvının gerçek pH’ını etkiler. Sıcaklık ölçüm cihazları sıvıya yerleştirilebilir ve bu cihazlardan gelen sinyaller, sıcaklığın pH ölçümü üzerindeki etkisini telafi etmek için kullanılabilir, ancak bu yalnızca ölçüm elektrodunun mV / pH yanıtını telafi eder, işlemin gerçek pH değişimini telafi etmez. sıvı!

Bazıları geleneksel pH elektrot sınırlamalarının üstesinden gelmek için büyük umut vaat eden pH ölçümü alanında hala ilerlemeler kaydedilmektedir. Böyle bir teknoloji, gerçek bir voltmetre devresiyle voltajı ölçmek yerine iyon geçirgen bir zar tarafından üretilen voltajı elektrostatik olarak ölçmek için alan etkili transistör adı verilen bir cihaz kullanır . Bu teknoloji kendi sınırlarını barındırsa da, en azından öncü bir kavramdır ve daha sonraki bir tarihte daha pratik olabilir.


Özetle;

  • pH, bir sıvıdaki hidrojen iyonu aktivitesinin bir temsilidir. Litre sıvı başına hidrojen iyonu sayısının (mol cinsinden) negatif logaritmasıdır. Böylece: 1 litre sıvı içinde 10-11 mol hidrojen iyonu = 11 pH. 10 -5.3 sıvı = 5.3 pH, 1 litre hidrojen iyonlarının mol.
  • Temel pH ölçeği 0 (güçlü asit) ile 7 (nötr, saf su) ile 14 (güçlü kostik) arasında değişir. Sıfırın altında ve 14’ün üzerinde pH seviyelerine sahip kimyasal çözeltiler mümkündür, ancak nadirdir.
  • Sıvı çözelti içine daldırılmış iki özel elektrot arasında üretilen voltaj ölçülerek pH ölçülebilir.
  • Özel camdan yapılan bir elektroda ölçüm elektrodu denir . PH ile orantılı küçük bir voltaj oluşturmak bir iştir (ideal olarak pH birimi başına 59.16 mV).
  • Diğer elektrot ( referans elektrot olarak adlandırılır ), sıvıya sıfır voltajlı bir elektrik bağlantısı oluşturmak için ölçülen sıvı ile stabil, nötr pH tampon çözeltisi (genellikle potasyum klorür) arasında gözenekli bir bağlantı kullanır. Bu, ölçüm elektrodundaki camın kalınlığı boyunca üretilen voltajın harici bir voltmetre ile ölçülebilmesi için tam bir devre için bir devamlılık noktası sağlar.
  • Ölçüm elektrodunun cam membranının son derece yüksek direnci, voltajı ölçmek için son derece yüksek iç dirence sahip bir voltmetre veya sıfır dengeli bir voltmetre kullanılmasını zorunlu kılar.

Bu makale buradan çevrilmiştir.