Laboratorní přístroje pro měření pH

Elektrochemie se zabývá studiem chemických reakcí, které probíhají v roztoku a zahrnují přenosy elektronů mezi elektrodou a elektrolytem. Elektrochemická měření zahrnují:

• pH
• Konduktivita (Cond)
• Oxidačně-redukční potenciál (ORP nebo Redox)
• Koncentrace iontů (ISE)
• Rozpuštěný kyslík (DO)

pH je stupnice, která vyjadřuje kyselost či zásaditost vodných roztoků. Hodnota pH souvisí s koncentrací (přesněji řečeno s aktivitou) vodíkových iontů. Roztoky s hodnotou pH nižší než 7 jsou kyselé (vysoká koncentrace vodíkových iontů) a roztoky s hodnotou pH vyšší než 7 jsou zásadité (nízká koncentrace vodíkových iontů).

Hodnoty pH se měří za účelem:

• výroby produktů s definovanými vlastnostmi
  ,
• výroby produktů se sníženými náklady
  ,
• zajištění kvality výrobků, aby se předcházelo poranění osob a poškození materiálů i životního prostředí
  ,
• splnění regulačních požadavků,
• ochrany vybavení
  ,
• získání znalostí pro výzkum a vývoj.

Laboratorní přístroje pro měření pH se používají v různých průmyslových odvětvích, jako jsou:

• farmaceutický a biotechnologický průmysl,
• mléčné výrobky,
• čištění půdy a odpadních vod,
• kosmetické prostředky,
• filtrace vody
  ,
• potraviny a nápoje.

Dále jsou přístroje pro měření pH potřebné i pro aplikace mimo laboratoř. Týká se to míst v blízkosti nebo přímo v průmyslové výrobě a v terénu (pro měření vody, odpadních vod, půdy atd.).

Nástroje pro měření pH jsou poměrně jednoduché a při správném používání poskytují spolehlivé výsledky. Typický laboratorní přístroj pro měření pH se skládá z následujících částí:

• pH metr: Potenciometr, který měří rozdíl napětí mezi skleněnou elektrodou a referenční elektrodou a vypočítává hodnotu pH.
• Senzory: Referenční a pH elektroda, které uzavírají elektrický okruh. V současné době je lze kombinovat. Nazývají se kombinované pH elektrody.

Další potřebné nástroje:

• Kalibrační roztoky: Před měřením pH vzorku je třeba pH elektrodu kalibrovat pomocí nejméně dvou referenčních roztoků se známou hodnotou pH.
• Vzorek: Vzorek je měřený roztok. Musí to být vodný roztok nebo musí obsahovat dostatečné množství vody, aby bylo možné provést měření pH.

Ano, pH a konduktivita spolu souvisejí, nikoli však lineárně ani absolutně.
pH senzor reaguje pouze na H⁺ v roztoku, zatímco u konduktivity senzory měří aktivitu všech nabitých iontů (aniontů a kationtů) přítomných v roztoku. Čím vyšší je koncentrace iontů, tím vyšší je konduktivita.

Kromě toho má na konduktivita zesilující vliv pohyblivost iontů. Z běžných iontů v roztoku je nejpohyblivějším kationtem vodíkový iont [H⁺] s hodnotou 350 jednotek a nejpohyblivějším aniontem je hydroxylový iont [OH^-] s hodnotou 199 jednotek. Ostatní běžné ionty mají hodnoty v rozmezí 40 až 80 jednotek. Z toho vyplývá, že silně kyselé (nebo silně zásadité) roztoky budou mít vysokou konduktivitu. Vzhledem k tomu, že hodnota pH je mírou koncentrace vodíkových iontů, platí následující pravidla:

• V kyselých roztocích (< pH 7): Čím nižší je pH (tj. čím vyšší je koncentrace H⁺), tím vyšší je konduktivita.
  
• V zásaditých roztocích (> pH 7): Konduktivita se zvyšuje s růstem pH (nárůstem koncentrace iontů OH^-).
  
• Neutrální pH (pH 7) je způsobeno stejnou koncentrací iontů H⁺ a OH^-. Neznamená to však, že roztok neobsahuje žádné další ionty, které by přispívaly k jeho konduktivitě.
  
  

Uvažujme příklad: Deionizovaná voda má teoreticky hodnotu ph 7,0 a konduktivitu 0,055 µS/cm. Přidáte-li do ní sůl NaCl, výsledný roztok NaCl bude mít stále neutrální pH, ale konduktivita roztoku se může výrazně zvýšit v závislosti na množství přidané soli NaCl.

Shrnutí: Hodnota pH a konduktivita vzorku se musí stanovit pro jednotlivé vzorky zvlášť a nelze je teoreticky korelovat.

Měření hodnoty pH závisí na teplotě vzorku. Je důležité mít na paměti níže uvedené body:

a. Vliv teploty na sklon elektrody:
pH elektroda zajišťuje potenciál (mV) mezi měřicím a referenčním poločlánkem. Laboratorní přístroj pro měření pH vypočítá hodnotu pH z tohoto potenciálu pomocí teplotně závislého faktoru –2,3 * R * T / F, kde „R“ je univerzální plynová konstanta, „T“ teplota v kelvinech a „F“ Faradayova konstanta. Při teplotě 298 K (25 °C) je tento faktor –59,16 mV/pH. Jedná se o tzv. teoretický sklon elektrody při referenční teplotě (25 °C). Při různých teplotách lze hodnoty sklonu vypočítat odpovídajícím způsobem. Např.: –56,18 mV/pH při teplotě 10 °C, –58,17 mV/pH při teplotě 20 °C, –60,15 mV/pH při teplotě 30 °C atd. Tento vliv teploty na měření pH se koriguje automatickou (ATC) nebo manuální kompenzací teploty (MTC). Z tohoto důvodu je důležité znát teplotu vzorku nebo použít teplotní sondu. Špatně nastavená teplota má za následek chybu o 0,12 jednotky pH na teplotní rozdíl o 5 °C.

b. Teplota ovlivňuje hodnotu pH vzorku:
Hodnota pH vzorku se mění v závislosti na teplotě. Jedná se o vliv chemický, proto je pro každý typ vzorku individuální. Tento vliv nelze kompenzovat. Zobrazuje se pouze skutečná hodnota pH při aktuální teplotě. Z tohoto důvodu je důležité porovnávat pouze hodnoty pH naměřené při stejné teplotě.

Výjimka: Teplotní závislost pH mnoha komerčních pufračních roztoků je uložena v přístroji. Díky tomu lze elektrodu kalibrovat při různých teplotách, protože naměřené potenciály jsou automaticky vztaženy k teplotě 25 °C nebo 20 °C. Chcete-li tuto funkci využít, je důležité zvolit správnou skupinu pufrů a změřit teplotu během kalibrace.

Měření konduktivity (vodivosti) je silně závislé na teplotě (přibližně 2% odchylka na teplotní rozdíl o °C). Výsledky lze porovnávat pouze v případě, že je teplota všech vzorků stejná, nebo pokud se hodnota vztahuje k určité referenční teplotě.

Ve většině případů se používá lineární kompenzace teploty. Obsluha musí jako referenční teplotu zvolit 20 °C nebo 25 °C. Rozdíl mezi naměřenou a referenční teplotou se poté vynásobí kompenzačním faktorem zvaným „α“ (jednotka; %/°C), který následně kompenzuje konduktivitu.

Pro správný postup je nezbytné stanovit lineární kompenzační koeficient α pro jednotlivé vzorky. Přestože je závislost na teplotě považována za lineární, ve skutečnosti je tento „lineární“ koeficient sám závislý na koncentraci iontů a teplotě vzorku. Tovární nastavení pro koeficient α je 2,00 %/°C. U všech měřicích přístrojů Five a Seven lze koeficient α nastavit v rozmezí od 0,00 %/°C (což znamená, že není prováděna žádná kompenzace teploty) do 10 %/°C.

Centrum kompetencí a podpory pro měření pH (pH CSC) společnosti METTLER TOLEDO provozuje tým vysoce kvalifikovaných odborníků na přímou elektrochemickou analýzu. Díky úzkému kontaktu našeho týmu se zákazníky, technickou podporou, řízením výroby a vývojem produktů dokážeme poskytovat rychlé poradenství a účinná řešení. Právě pro tyto služby jsme ve světě analýzy pH zcela jedineční.

Nabízená technická a aplikační podpora zahrnuje níže uvedené parametry měření a související laboratorní vybavení pro měření pH METTLER TOLEDO:

• pH
• Redox (ORP)
• Koncentrace iontů (ISE)
• Konduktivita
• Rozpuštěný kyslík (DO)