Strumenti per pH da laboratorio

L'elettrochimica si occupa dello studio delle reazioni chimiche che avvengono all'interno di una soluzione e che coinvolgono il trasferimento di elettroni tra l'elettrodo e l'elettrolita. Le misure elettrochimiche includono:

• pH
• Conducibilità (cond)
• Potenziale di ossido-riduzione (ORP o redox)
• Concentrazione di ioni (ISE)
• Ossigeno disciolto (DO)

Quella del pH è una scala di valori usata per definire l'acidità o l'alcalinità delle soluzioni acquose. Il valore del pH è legato alla concentrazione, più precisamente all'attività, degli ioni di idrogeno. Le soluzioni con un pH minore di 7 sono acide (elevata concentrazione di ioni idrogeno), mentre le soluzioni con un pH maggiore di 7 sono basiche (bassa concentrazione di ioni idrogeno).

Il pH si misura per:

• Produrre prodotti con proprietà definite
  
• Produrre prodotti a costi ridotti
  
• Garantire la qualità dei prodotti, per evitare di provocare danni a persone, materiali e ambiente
  
• Garantire la conformità ai requisiti normativi
• Proteggere gli strumenti
  
• Acquisire conoscenze per la ricerca e lo sviluppo

Gli strumenti per pH da laboratorio vengono usati in diversi settori, tra cui:

• Farmaceutica e biotecnologia
• Industria casearia
• Trattamento delle acque reflue e del terreno
• Cosmesi
• Filtrazione dell'acqua
  
• Alimenti e bevande

Inoltre, gli strumenti per pH vengono impiegati anche al di fuori del laboratorio. Vale a dire presso o nelle vicinanze di produzioni industriali e sul campo, per eseguire misure dell'acqua, degli impianti fognari, del terreno ecc.

Gli strumenti necessari per misurare il pH sono relativamente semplici e, se utilizzati correttamente, restituiscono valori affidabili. Un classico strumento per pH da laboratorio si compone come segue:

• Misuratore di pH: un potenziometro che misura la differenza di tensione tra un elettrodo in vetro e uno di riferimento per calcolare il valore del pH.
• Sensori: un elettrodo di riferimento e uno per pH per completare il circuito. Si possono anche abbinare e prendono il nome di elettrodi per pH combinati.

Gli altri strumenti necessari sono:

• Soluzioni di taratura: prima di misurare il pH di un campione, occorre utilizzare due o più soluzioni di riferimento con valori di pH noti per la taratura di un elettrodo per pH.
• Campione: il campione è la soluzione da misurare, che deve essere acquosa o contenere una quantità di acqua sufficiente a consentire la misura del pH.

Sì, il pH e la conducibilità sono correlati, ma non in modo lineare o assoluto.
Un sensore di pH reagisce unicamente all'H⁺ presente in una soluzione, mentre nella conducibilità i sensori misurano l'attività di tutti gli ioni che hanno una carica (anioni e cationi) presenti in una soluzione. Più alta è la concentrazione di ioni, maggiore sarà la conducibilità.

Inoltre, la mobilità ionica può aumentare la conducibilità. Tra gli ioni solitamente presenti in una soluzione, il catione più mobile è lo ione idrogeno [H⁺] con un valore di 350 unità e l'anione più mobile è lo ione ossidrile [OH^-], con 199 unità. Gli altri ioni più diffusi hanno valori che vanno dalle 40 alle 80 unità. Questo implica che le soluzioni fortemente acide o basiche hanno conducibilità più alte. Dal momento che il pH fa riferimento alla misura della concentrazione di ioni idrogeno, si devono osservare le seguenti regole:

• Nelle soluzioni acide (< pH 7): più basso è il livello di pH (ovvero più alta è la concentrazione di H⁺), maggiore è la conducibilità.
  
• Nelle soluzioni alcaline (> pH 7): la conducibilità aumenta con l'innalzamento del livello di pH (aumento di ioni OH^-).
  
• Il pH neutro (pH 7) è dato da una concentrazione uguale di ioni H⁺ e OH^-. Questo non esclude che nella soluzione vi siano altri ioni che potrebbero influenzare la conducibilità della soluzione.
  
  

Vediamo un esempio: teoricamente, il pH dell'acqua deionizzata è 7.0 e la conducibilità è 0,055 µS/cm. Se si aggiunge del sale (NaCl), la soluzione di NaCl risultante avrà ancora pH neutro, ma la sua conducibilità sarà aumentata esponenzialmente, in proporzione alla quantità di NaCl aggiunto.

In sostanza: il pH e la conducibilità devono essere determinati separatamente per ogni singolo campione e non sono teoricamente collegati.

Le misure di pH dipendono dalla temperatura del campione. È importante tenere a mente i seguenti punti:

a. Influenza della temperatura sulla pendenza di un elettrodo:
l'elettrodo di pH fornisce un potenziale (mV) tra la semicella di misura e quella di riferimento. Lo strumento da laboratorio calcola il valore del pH a partire da questo potenziale utilizzando il fattore dipendente dalla temperatura -2,3 * R * T / F, dove R è la costante universale dei gas, T la temperatura in gradi Kelvin e F la costante di Faraday. A 298 K (25 °C), il fattore corrisponde a -59,16 mV/pH. Questo valore prende il nome di pendenza teorica dell'elettrodo ad una temperatura di riferimento (25 °C). I valori della pendenza possono essere calcolati in rapporto a diverse temperature: ad esempio, -56,18 mV/pH a 10 °C, -58,17 mV/pH a 20 °C, -60,15 mV/pH a 30 °C e così via. L'influenza della temperatura sulla misura del pH viene corretta mediante la compensazione automatica (ATC) o manuale (MTC). Perciò, è importante conoscere la temperatura di un campione o utilizzare una sonda di temperatura. Una temperatura impostata in modo sbagliato può dare luogo a un errore di 0.12 unità di pH per 5 °C di differenza.

b. Influenza della temperatura sul valore di pH del campione:
il valore di pH di un campione cambia con la temperatura. Questo è dovuto a un effetto chimico e perciò è vincolato al tipo di campione. Questa influenza non si può compensare: viene visualizzato solo il valore di pH reale alla temperatura effettiva. Pertanto, è importante confrontare solo i valori di pH misurati alla stessa temperatura.

Esiste un'eccezione: la dipendenza dalla temperatura del pH di molte soluzioni tampone commerciali è archiviata nello strumento. Ne consegue che la taratura dell'elettrodo può essere eseguita a diverse temperature poiché i potenziali misurati fanno automaticamente riferimento a 25 °C o a 20 °C. Per trarre il massimo da questa caratteristica, è fondamentale selezionare il giusto gruppo di soluzioni tampone e misurare la temperatura durante la taratura.

La misura della conducibilità dipende moltissimo dalla temperatura (una variazione del 2% per °C circa). I risultati possono essere confrontati solo se la temperatura di tutti i campioni è uguale o se il valore è collegato a una determinata temperatura di riferimento.

Nella maggior parte dei casi, viene utilizzata la compensazione della temperatura lineare. L'operatore deve selezionare come temperatura di riferimento 20 °C o 25 °C. La differenza tra la temperatura misurata e quella di riferimento viene poi moltiplicata per un fattore α di compensazione (unità; %/°C), che a propria volta compensa la conducibilità.

Per eseguire questa procedura correttamente, è necessario determinare il coefficiente α di compensazione lineare per ogni campione. Nonostante la dipendenza dalla temperatura sia considerata lineare, in realtà il coefficiente "lineare" dipende esso stesso dalla concentrazione di ioni e dalla temperatura del campione. Per impostazione di fabbrica, α è pari a 2,00 %/°C. In tutti i misuratori Five and Seven α può essere regolato da 0,00 %/°C, che indica l'assenza di compensazione di temperatura, fino a 10 %/°C.

Il pH Competence and Support Center (pH CSC) di METTLER TOLEDO dispone di un team di esperti dell'analisi elettrochimica diretta. Grazie allo stretto contatto con i clienti e con i reparti di assistenza tecnica, gestione prodotti e sviluppo prodotti, il team è in grado di offrire suggerimenti rapidi e soluzioni efficaci, rendendo questo servizio pressoché unico nel mondo dell'analisi del pH.

Il supporto tecnico e applicativo offerto comprende i seguenti parametri di misura e gli strumenti di laboratorio METTLER TOLEDO correlati:

• pH
• Redox (ORP)
• Concentrazione di ioni (ISE)
• Conducibilità
• Ossigeno disciolto (DO)