Η βασική αρχή της μέτρησης του pH
Η γνωστή και αρχαία μέθοδος μέτρησης μηδενικού ρεύματος που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των διεργασιών χημικής αντίδρασης είναι πιθανώς η μέτρηση του pH. Σε γενικές γραμμές, η μέτρηση του pH χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της οξύτητας ή της αλκαλικότητας ενός διαλύματος. Ακόμη και το χημικά καθαρό νερό έχει ένα ίχνος διάστασης και η εξίσωση ιονισμού του είναι: H2O H2O=H3O-OH - (1) Λόγω του γεγονότος ότι μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα νερού διασπάται, η μοριακή συγκέντρωση του Τα ιόντα είναι γενικά ένας αρνητικός εκθέτης ισχύος. Για να αποφευχθεί η χρήση του εκθέτη αρνητικής ισχύος της μοριακής συγκέντρωσης για υπολογισμούς, ο βιολόγος Sorensen πρότεινε το 1909 να αντικατασταθεί αυτή η άβολη τιμή με λογάριθμο και να οριστεί ως "τιμή pH". Μαθηματικά, η τιμή του pH ορίζεται ως ο αρνητικός λογάριθμος της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου που χρησιμοποιείται συνήθως. Δηλαδή, pH=ένα log [H]
(2) Λόγω της ισχυρής εξάρτησης του προϊόντος ιόντων από τη θερμοκρασία, για την τιμή pH του ελέγχου της διεργασίας, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε ταυτόχρονα τα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας του διαλύματος. Μόνο όταν το μετρούμενο μέσο βρίσκεται στην ίδια θερμοκρασία μπορεί να συγκριθεί η τιμή του pH του. Για να ληφθεί μια αναπαραγώγιμη τιμή pH, χρησιμοποιείται ποτενσιομετρική ανάλυση για τη μέτρηση του pH. Το ηλεκτρόδιο που χρησιμοποιείται στη μέθοδο ανάλυσης δυναμικού ονομάζεται κύρια μπαταρία. Η τάση αυτής της μπαταρίας ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF). Αυτή η ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) αποτελείται από δυόμισι μπαταρίες. Ένα από τα μισά κύτταρα ονομάζεται ηλεκτρόδιο μέτρησης και το δυναμικό του σχετίζεται με μια συγκεκριμένη δραστηριότητα ιόντων. Το άλλο μισό στοιχείο είναι ένα μισό στοιχείο αναφοράς, που συνήθως αναφέρεται ως ηλεκτρόδιο αναφοράς, το οποίο συνήθως συνδέεται με το διάλυμα μέτρησης και συνδέεται με ένα βιομηχανικό μετρητή pH. Το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου είναι το σημείο αναφοράς για όλες τις μετρήσεις δυναμικού. Το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου είναι ένα σύρμα πλατίνας που είναι επιμεταλλωμένο (επικαλυμμένο) με χλωριούχο λευκόχρυσο και περιβάλλεται από αέριο υδρογόνο. Το πιο γνωστό και ευρέως χρησιμοποιούμενο ηλεκτρόδιο δείκτη pH είναι ένα γυάλινο ηλεκτρόδιο. Είναι ένας γυάλινος σωλήνας με φυσητό γυάλινο φιλμ ευαίσθητο στο pH στο άκρο. Ο σωλήνας γεμίζεται με ρυθμιστικό διάλυμα KCI που περιέχει κορεσμένο AgCI, με τιμή pH 7. Η διαφορά δυναμικού που υπάρχει και στις δύο πλευρές της γυάλινης μεμβράνης και αντανακλά την τιμή του pH ακολουθεί τον τύπο Nernst: E=Eo. 1n [H3oq (3) n.] Στον τύπο, E είναι το δυναμικό. E είναι η τυπική τάση του ηλεκτροδίου. R είναι η σταθερά του αερίου. T είναι η θερμοκρασία Kelvin. F είναι η σταθερά Faraday. N είναι το σθένος του μετρούμενου ιόντος. Το [HO] είναι η δραστηριότητα του ιόντος HO. Όπως φαίνεται από την παραπάνω εξίσωση, υπάρχει μια ορισμένη σχέση μεταξύ του δυναμικού Ε και της δραστηριότητας και της θερμοκρασίας των ιόντων ΗΟ. Σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, η μέτρηση του δυναμικού E μπορεί να υπολογίσει ln [HO] (μετατρέπεται σε log [HO] για να ληφθεί pH), που είναι η βασική αρχή της ανίχνευσης του pH. Στον τύπο Nernst, η θερμοκρασία παίζει σημαντικό ρόλο ως μεταβλητή. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η πιθανή τιμή θα αυξηθεί επίσης. Για κάθε 1 βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας, θα προκαλέσει μια πιθανή αλλαγή 0,2 mV/pH. Αντιπροσωπευόμενη από την τιμή του pH, η τιμή του pH ποικίλλει κατά 0,0033 ανά LPH ανά I~C. Αυτό σημαίνει ότι για μετρήσεις γύρω από 20-30 βαθμούς και 7 pH, δεν χρειάζεται να αντισταθμιστούν οι αλλαγές θερμοκρασίας. Για εφαρμογές με θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 30 βαθμούς ή μικρότερες από 20 βαθμούς και τιμές pH μεγαλύτερες από 8 ή μικρότερες από 6, οι αλλαγές θερμοκρασίας πρέπει να αντισταθμίζονται.
