pH-instrumenter til laboratoriebrug

Elektrokemi er studiet af kemiske reaktorer, der finder sted i en opløsning, og som indebærer overførsler af elektroner mellem elektroden og elektrolytten. Elektrokemiske målinger omfatter:

• pH
• ledningsevne
• oxidations-reduktions-potential (ORP eller redox)
• ionkoncentration (ISE)
• opløst ilt (DO).

pH er en skala, der bruges til at angive surhedsgraden eller alkaliteten af vandige opløsninger. pH-værdien korrelerer med koncentrationen af hydrogenioner (eller mere præcist: med deres aktivitet). Opløsninger med en pH-værdi på mindre end 7 er sure (høj koncentration af hydrogenioner), og opløsninger med en pH-værdi på mere end 7 er basiske eller alkaliske (lav koncentration af hydrogenioner).

Man måler pH for at:

• fremstille produkter med bestemte egenskaber
  
• reducere omkostningerne ved fremstilling af produkter
  
• sikre kvaliteten af produkterne for at undgå at skade mennesker, materialer og miljø
  
• leve op til lovgivningsmæssige krav
• beskytte udstyr
  
• skaffe sig viden i forbindelse med forskning og udvikling.

pH-instrumenter til laboratoriebrug anvendes i en række brancher som:

• lægemiddel- og biotekindustrien
• mejeribranchen
• jord- og spildevandsrensning
• kosmetik
• vandfiltrering
  
• føde- og drikkevareindustrien.

Derudover bruges pH-instrumenter til formål uden for laboratoriet. De omfatter steder i nærheden af eller på industrielle produktionssteder og i marken (til måling af vand, spildevand, jord osv.).

De værktøjer, man skal bruge for at foretage en pH-måling, er relativt ukomplicerede og giver pålidelige målinger, når de anvendes korrekt. Et typisk pH-instrument til laboratoriebrug består af følgende:

• Et pH-meter: Et potentiometer, der måler spændingsforskellen mellem en glaselektrode og en referenceelektrode og udregner pH-værdien.
• Sensorer: En referenceelektrode og en pH-elektrode til at slutte kredsløbet. Nu om dage kan de være kombineret og kaldes så en kombineret pH-elektrode.

Andre nødvendige værktøjer er:

• Kalibreringsopløsninger: Før måling af en prøves pH-værdi skal der anvendes to eller flere referenceopløsninger med kendte pH-værdier til kalibrering af pH-elektroden.
• Prøve: Prøven er den opløsning, der skal måles på. Det skal enten være en vandig opløsning, eller også skal den indeholde nok vand til, at det er muligt at foretage en pH-måling.

Ja, pH og ledningsevne er forbundet, men ikke på en lineær eller absolut måde.
En pH-sensor reagerer udelukkende på H⁺ i en opløsning, mens sensorer i forbindelse med ledningsevne måler aktiviteten af alle ladede ioner (anioner og kationer), der er til stede i en opløsning. Jo højere koncentration af ioner, jo højere ledningsevne.

Desuden har et ions mobilitet forstærkende indvirkning på ledningsevnen. Blandt de hyppigt forekommende ioner i opløsninger er den mest mobile kation hydrogenionen (H⁺) med en værdi på 350 enheder, og den mest mobile anion er hydroxylionen (OH^-), 199 enheder. Andre hyppigt forekommende ioner har værdier på mellem 40 og 80 enheder. Det betyder, at meget sure (eller meget alkaliske) opløsninger har høje ledningsevner. Eftersom pH er udtryk for koncentrationen af hydrogenioner, gælder følgende:

• I sure opløsninger (< pH 7): jo lavere pH (dvs. jo højere H⁺-koncentration), jo højere ledningsevne.
  
• I alkaliske opløsninger (> pH 7): ledningsevnen stiger med stigende pH (flere OH^--ioner).
  
• Neutral pH (pH 7) skyldes ens koncentrationer af H⁺- og OH^--ioner. Men det betyder ikke, at opløsningen ikke indeholder andre ioner, der kan bidrage til opløsningens ledningsevne.
  
  

Lad os se på et eksempel: Deioniseret vands pH er i teorien 7,0, og ledningsevnen er 0,055 µS/cm. Hvis man tilsætter NaCl-salt, vil den resulterende NaCl-opløsning stadig have neutral pH, men opløsningens ledningsevne ville stige betydeligt afhængigt af mængden af tilsat NaCl.

Så for at opsummere, skal pH og ledeevne bestemmes separat for hver prøve. De kan ikke udregnes ud fra en teoretisk korrelation.

pH-målinger afhænger af prøvens temperatur. Det er vigtigt at holde sig nedenstående punkter for øje:

a. Temperaturen påvirker en elektrodes hældning:
En pH-elektrode angiver et potential (mV) mellem måle- og referencehalvcellen. pH-instrumentet til laboratoriebrug udregner pH-værdien ud fra dette potential ved hjælp af den temperaturafhængige faktor -2,3·R·T/F, hvor R er den universelle gaskonstant, T er temperaturen i Kelvin, og F er Faradays konstant. Ved 298 K (25 °C) er faktoren -59,16 mV/pH. Det kaldes elektrodens teoretiske hældning ved referencetemperaturen (25 °C). Ved andre temperaturer kan hældningen på tilsvarende vis udregnes. F.eks. -56,18 mV/pH ved 10 °C, -58,17 mV/pH ved 20 °C, -60,15 mV/pH ved 30 °C osv. Den indflydelse, temperaturen således har på pH-målingen, korrigeres der for med automatisk eller manuel temperaturkompensation. Derfor er det vigtigt at kende en prøves temperatur eller at benytte en temperatursonde. En forkert angivet temperatur vil medfører en fejl på 0,12 pH-enheder pr. 5 °C forskel.

b. Temperaturen påvirker en prøves pH-værdi:
En prøves pH-værdi ændrer sig med temperaturen. Det er en kemisk virkning, som derfor er individuel for hver type prøve. Denne indflydelse kan der ikke kompenseres for – der vises kun den reelle pH ved den faktiske temperatur. Derfor er det vigtigt kun at sammenligne pH-værdier målt ved samme temperatur.

Undtagelse: Temperaturafhængigheden for mange kommercielle bufferopløsningers pH-værdi er gemt i instrumentet. Det betyder, at elektroden kan kalibreres ved forskellige temperaturer, fordi det målte potential automatisk omregnes til 25 °C eller 20 °C. For at udnytte denne egenskab er det vigtigt at vælge den rette buffergruppe og at måle temperaturen under kalibreringen.

Målinger af ledningsevne er meget afhængig af temperaturen (ca. 2 % variation pr. °C). Resultater kan kun sammenlignes, hvis temperaturen for alle prøver er identisk, eller hvis værdien omregnes til en bestemt referencetemperatur.

I de fleste tilfælde anvendes der lineær temperaturkompensation. Operatøren skal vælge enten 20 °C eller 25 °C som referencetemperatur. Forskellen mellem den målte temperatur og referencetemperaturen multipliceres derefter med en kompensationsfaktor, der kaldes α (enhed: %/°C), som kompenserer for ledningsevnen.

For at gøre dette korrekt skal den lineære kompensationskoefficient α bestemmes for hver prøve. Selv om temperaturafhængigheden betragtes som lineær, afhænger denne "lineære" koefficient i virkeligheden selv af en prøves ionkoncentration og temperatur. Fabriksindstillingen for α er 2,00 %/°C. I alle målere i Five- og Seven-serierne kan α justeres fra 0,00 %/°C – hvilket er ensbetydende med ingen temperaturkompensation overhovedet – til 10 %/°C.

METTLER TOLEDOs pH Competence and Support Center (pH CSC) består af et team af eksperter i direkte elektrokemisk analyse. Takket være teamets tætte kontakt med kunder og med de afdelinger, der står for teknisk support, produktstyring og produktudvikling, kan der ydes hurtig rådgivning og tilbydes effektive løsninger, hvilket gør denne service unik i pH-analysens verden.

Den tilbudte tekniske og anvendelsesmæssige support omfatter følgende måleparametre og det relaterede METTLER TOLEDO-laboratorieudstyr til måling af pH:

• pH
• redox (ORP)
• ionkoncentration (ISE)
• ledningsevne
• opløst ilt (DO).