Ηλεκτρονικό Ph-Meter

[george hmmy]

Εισαγωγή

Το pH αποτελεί αναμφισβήτητα μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους της χημικής σύστασης του νερού. Στη φύση, ανάλογα την περιοχή αλλά και τους διάφορους παράγοντες βρίσκουμε μεγάλη διακύμανση στις τιμές του, μάλιστα έχει παρατηρηθεί και στην ίδια λίμνη διαφορετικές τιμές. Ορίζεται ως ο αρνητικός λογάριθμος της συγκέντρωσης των υδρογονοκατιόντων και το εύρος μέτρησής του είναι από 0 έως 14.


 

Ιστορία

Η πρώτη επίσημη εμφάνιση του pH-μέτρου (από δω και στο εξής θα αναφέρεται ως pM) προσδιορίζεται στο 1936 από το Dr. Arnold O. Beckam στις ΗΠΑ και από την εταιρεία Radiometer στη Δανία. Ο Beckman ήταν βοηθός καθηγητή στη Χημεία στο California Institute of Technology όταν τον παρότρυνε ένας παλιός συμφοιτητής του, ο Glen Joseph, να προβεί στην κατασκευή ενός pM που θα εξυπηρετούσε αυτόν καθώς εργάζονταν στο ως χημικός στο California Fruit Growers Exchange. Η εταιρεία αυτή ήθελε να βρει έναν τρόπο να μετράει άμεσα και γρήγορα την οξύτητα του χυμού του λεμονιού. Η εφεύρεση του Beckman τον βοήθησε να προβεί στην ίδρυση της εταιρείας Beckman Instruments, γνωστή και ως Beckman Coulter. To 2004 το pM του Beckman τιμήθηκε με τη διάκριση ACS National Historical Chemical Landmark ως αναγνώριση της εφεύρεσής του αλλά και ως το πρώτο επίσημο επιτυχημένο ηλεκτρονικό pM.


 

Το Ηλεκτρόδιο

Το ηλεκτρόδιο είναι το σπουδαιότερο μέρος της συσκευής, χρήζει ιδιαίτερης μεταχείρισης και είναι απαραίτητη η σωστή φύλαξή του προκειμένου να διατηρηθεί σε καλή κατάσταση ώστε να μετρά σωστά. Η φύλαξή του απαιτεί να μην στεγνώσει ο αισθητήρας που φέρει στο κάτω μέρος του, οπότε όταν σκοπεύουμε να το αποθηκεύσουμε, για μικρό ή μεγάλο χρονικό διάστημα, φροντίζουμε να βάζουμε φυσικό ορό (ή άλλο αδρανές υγρό) για τη συντήρησή του. Ο αισθητήρας (ή probe) μετρά το pH ως τη συγκέντρωση των υδρογονοκατιόντων που περιβάλλουν το γυάλινο γλόμπο του μετρητή. Ο αισθητήρας εξαιτίας ενός ηλεκτροχημικού φαινομένου παράγει μια μικρή τάση, περίπου 0,06volt ανά βαθμό pH, η υπόλοιπη συσκευή, το κυρίως μέρος, μετρά την τάση αυτή και την απεικονίζει ως τιμή pH.


 

Ο Μετρητής

Ο μετρητής του pH και η συσκευή απεικόνισης δεν είναι τίποτα παραπάνω από ένα απλό βολτόμετρο το οποίο δίνει τιμές pH αντί για τιμές τάσεις. Η αντίσταση εισόδου του βολτομέτρου είναι εξαιρετικά μεγάλη εξαιτίας της εξίσου μεγάλης αντίστασης του αισθητήρα, της τάξης των 20ΜΩ έως και 10000ΜΩ. Το κύκλωμα ενός απλού pM, συνήθως, αποτελείται από ένα γραμμικό ενισχυτή σε ανάστροφη συνδεσμολογία, με συνολικό κέρδος τάσης -17volt. Η ανάστροφη συνδεσμολογία του ενισχυτή μετατρέπει τη μικρή τάση που παράγει ο αισθητήρας (συγκεκριμένα +0,059 volt/ανά μονάδα pH σε βασικό περιβάλλον και -0,059volt/ανά μονάδα pH σε όξινο περιβάλλον) σε μονάδες pH προσθέτοντας μία τάση (dc offset) 7 volt προκειμένου η μετρούμενη τιμή να αναφέρεται σε κλίμακα pH. Για παράδειγμα:



· Στο ουδέτερο pH η παραγόμενη τάση από τον αισθητήρα είναι 0volt άρα η έξοδος της συσκευής είναι 0*17+7=7

· Σε βασικό pH η έξοδος του αισθητήρα κυμαίνεται από 0 έως +0,41volt. Άρα, αν το διάλυμα έχει pH 10, δηλαδή 3 μονάδες διαφορά σε σχέση με το ουδέτερο, το ηλεκτρόδιο θα δίνει τάση 3*0.059=0,18volt και η συσκευή με τον ενισχυτή θα δίνει 0.18*17+7=10

· Σε όξινο περιβάλλον η έξοδος του αισθητήρα κυμαίνεται από -0.7volt έως 0. Έτσι, αν το διάλυμα έχει pH 4, επίσης 3 μονάδες διαφορά σε σχέση με το ουδέτερο, το ηλεκτρόδιο θα δίνει -0.059*3=-0.18volts και η συσκευή με τον ενισχυτή θα δίνει -0.18*17+7=4.



Κατά τη διάρκεια της βαθμονόμησης της συσκευής ορίζουμε το κέρδος του ενισχυτή και την τάση αναφοράς.


 

Βαθμονόμηση και Χρήση

Η βαθμονόμηση γίνεται με δύο τουλάχιστον υγρά κατάλληλα για αυτή τη χρήση τα οποία είναι οι τιμές αναφοράς για τη συσκευή και σύμφωνα με τις ενδείξεις τους θα ρυθμίσουμε τη συσκευή μας. Οι πλέον σύγχρονες συσκευές μπορούν να διατηρήσουν τη βαθμονόμηση τους για ένα μήνα περίπου. Το ένα από τα δύο υγρά βαθμονόμησης (γνωστά και ως buffer) είναι υποχρωτικά το 7 και το δεύτερο επιλέγεται με κριτήριο το διάλυμα/περιβάλλον το οποίο θέλουμε να μετρήσουμε. Για αλκαλικά περιβάλλοντα συνήθως επιλέγεται το pH10 και για όξινα το pH4. Επίσης, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι το pH μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία και οι αναγραφόμενες τιμές των buffer αναφέρονται σε Κανονικές Συνθήκες που στη χημεία σημαίνει θερμοκρασία 25°C και πίεση 1atm. Το κέρδος και η τιμή αναφοράς της συσκευής ρυθμίζονται διαδοχικά με τον αισθητήρα να τοποθετείται πότε στο ένα υγρό και πότε στο άλλο. Τα περισσότερα σύγχρονα pM κάνουν αυτόματα αυτή τη διαδικασία με το πάτημα του ανάλογου κομβίου μία φορά για κάθε buffer.


Η διαδικασία βαθμονόμισης συσχετίζει την παραγόμενη τάση από τον αισθητήρα με τη λογαριθμική κλίμακα του pH. Μετά τη διαδικασία ο αισθητήρας ξεπλένεται με απιονισμένο νερό προκειμένου να απομακρυνθούν τυχόν υπολείματα από τους buffer. Στο σημείο αυτό επαναλαμβάνεται η σπουδαιότητα ο αισθητήρας να παραμένει πάντα σε υγρό περιβάλον προκειμένου να διατηρηθεί σε λειτουργική κατάσταση. Περιστασιακά είναι καλό να γίνεται μια νέα βαθμονόμηση της συσκευής, μια φορά το μήνα θεωρείται αρκετό, καθώς και καθαρισμός του βουτώντας το σε πολύ όξινο περιβάλλον, 1-1.5 βαθμό.