أجهزة قياس الأس الهيدروجيني المخبرية

إنّ الكيمياء الكهربية هي دراسة التفاعلات الكيميائية التي تحدث في محلول يتم فيه نقل الإلكترون بين القطب الكهربي والإلكتروليت. تتضمّن قياسات الكيمياء الكهربية ما يلي:

• الأس الهيدروجيني
• التوصيلية الكهربية (التوصيلية)
• جهد الأكسدة والاختزال (ORP أو Redox)
• تركيز الأيونات (ISE)
• الأكسجين المذاب (DO)

الأس الهيدروجيني هو مقياس يُستخدَم لتحديد حموضة أو قلوية المحاليل المائية. ترتبط قيمة الأس الهيدروجيني بتركيز (حتى نكون أكثر دقة: بنشاط) أيونات الهيدروجين. المحاليل ذات الأس الهيدروجيني الأقل من 7 تكون حمضية (تركيز عالٍ من أيونات الهيدروجين)، فيما تكون المحاليل ذات الأس الهيدروجيني الأكبر من 7 قاعدية (تركيز منخفض من أيونات الهيدروجين).

يقاس الأس الهيدروجيني من أجل:

• تصنيع منتجات بخصائص مُحدّدة
  
• تصنيع منتجات بتكلفة مُخفضة
  
• ضمان جودة المنتجات لتلافي الإضرار بالأشخاص والمواد والبيئة
  
• الوفاء بالمتطلبات التنظيمية
• حماية الأجهزة
  
• لاكتساب المعرفة من أجل البحث والتطوير

تُستخدم أجهزة قياس الأس الهيدروجيني المخبرية في صناعات مختلفة مثل:

• الصيدلة والتكنولوجيا الحيوية
• منتجات الألبان
• معالجة التربة والصرف الصحي
• مستحضرات التجميل
• تنقية المياه
  
• الأغذية والمشروبات

بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ أجهزة قياس الأس الهيدروجيني ضرورية للتطبيقات خارج المختبرات. وهذا يتضمّن المواقع القريبة أو الموجودة في مصانع الإنتاج الصناعي وفي الميدان (لقياس المياه والصرف الصحي والتربة وما إلى ذلك).

الأدوات الضرورية لقياسات الأس الهيدروجيني غير معقدة نسبيًا، وتوفر قياسات موثوقة عند استخدامها بالشكل الصحيح. يتكون جهاز قياس الأس الهيدروجيني المخبري النموذجي مما يلي:

• مقياس الأس الهيدروجيني: هو مقياس جهد يقيس فرق الجهد بين قطب كهربي زجاجي وقطب كهربي مرجعي ويحسب قيمة الأس الهيدروجيني.
• الحساسات: قطب كهربي مرجعي وقطب أس هيدروجيني لإكمال الدائرة. يمكن دمجها معًا حاليًا، وتُسمى أقطاب الأس الهيدروجيني المدمجة.

تتمثل الأدوات الأخرى المطلوبة فيما يلي:

• محاليل المعايرة: قبل قياس الأس الهيدروجيني لعينة ما، يجب استخدام محلولين مرجعيين أو أكثر بقيم أس هيدروجيني معروفة لمعايرة قطب الأس الهيدروجيني.
• العينة: العينة هي المحلول المراد قياسه، والذي يجب أن يكون محلولًا مائيًا أو يحتوي على كمية كافية من الماء حتى يتسنى إجراء قياس الأس الهيدروجيني.

نعم، ثمة ارتباط بين الأس الهيدروجيني والتوصيلية الكهربية، ولكن ليس بطريقة خطية أو مطلقة.
يستجيب حساس الأس الهيدروجيني فقط لـ H⁺ في أحد المحاليل، بينما في التوصيلية الكهربية، تقيس الحساسات نشاط جميع الأيونات المشحونة (الأنيونات والكاتيونات) الموجودة في المحلول. كلما زاد تركيز الأيونات، زادت التوصيلية الكهربية.

علاوة على ذلك، تُحدِث حركة الأيون تأثيرًا معززًا على التوصيلية الكهربية. ومن بين الأيونات الشائعة في المحلول ، فإن الكاتيون الأكثر حركة هو أيون الهيدروجين [H⁺] بقيمة 350 وحدة، والأنيون الأكثر حركة هو أيون الهيدروكسيل [OH^-]، 199 وحدة. تتراوح قيم الأيونات الشائعة الأخرى بين 40 و80 وحدة. هذا يعني أن المحاليل الحمضية بشدة (أو القاعدية بشدة) سيكون لها توصيلية كهربية عالية. ونظرًا لأن الأس الهيدروجيني يُعدّ مقياسًا لتركيز أيونات الهيدروجين، يتم تطبيق القواعد التالية:

• في المحاليل الحمضية (< الأس الهيدروجيني 7): كلما انخفض الأس الهيدروجيني (أي كلما زاد تركيز H⁺)، زادت التوصيلية الكهربية.
  
• في المحاليل القلوية (> الأس الهيدروجيني 7): تزداد التوصيلية الكهربية مع زيادة الأس الهيدروجيني (زيادة أيون OH^-).
  
• يعزى الأس الهيدروجيني المحايد (الأس الهيدروجيني 7) إلى تركيز أيونات H⁺ وOH^-. ولكن هذا لا يعني أن المحلول لا يحتوي على أي أيونات أخرى من شأنها أن تساهم في قياس التوصيلية الكهربية للمحلول.
  
  

لنأخذ مثالًا على ذلك: الأس الهيدروجيني للماء منزوع الأيونات هو نظريًا 7.0 والتوصيلية الكهربية هي 0.055 ميكروسيمنز/سم. إذا أضفت ملح كلوريد الصوديوم إليه، فسيظل محلول كلوريد الصوديوم الناتج ضمن قيمة الأس الهيدروجيني المحايد، لكن التوصيلية الكهربية للمحلول يمكن أن تزيد بشكل كبير اعتمادًا على كمية كلوريد الصوديوم المضافة.

وباختصار: يجب تحديد الأس الهيدروجيني والتوصيلية الكهربية للعينة بشكل منفصل لكل عينة ولا يمكن ربطهما نظريًا.

تعتمد قياسات الأس الهيدروجيني على درجة حرارة العينة. يجب وضع النقاط التالية في الاعتبار:

أ. تأثير درجة الحرارة على ميل القطب الكهربي:
توفر أقطاب الأس الهيدروجيني جهدًا (بالمللي فولت) بين القياس ونصف الخلية المرجعي. يحسب جهاز الأس الهيدروجيني المخبري قيمة الأس الهيدروجيني الناتجة إزاء هذا الجهد باستخدام العامل المعتمد على درجة الحرارة -2.3 * R * T / F حيث R عبارة عن ثابت الغاز العام، وT عبارة عن درجة الحرارة بالكلفن وF عبارة عن ثابت فاراداي. وعند درجة حرارة 298 كلفن (25 درجة مئوية)، يكون العامل هو -59.16 مللي فولت/الأس الهيدروجيني. وهذا ما يسمى بالميل النظري للقطب الكهربي عند درجة الحرارة المرجعية (25 درجة مئوية). وبناءً على ذلك، يمكن حساب قيم الميل عند درجات الحرارة المختلفة. على سبيل المثال: -56.18 مللي فولت/الأس الهيدروجيني عند 10 درجات مئوية، -58.17 مللي فولت/الأس الهيدروجيني عند 20 درجة مئوية، -60.15 مللي فولت/الأس الهيدروجيني عند 30 درجة مئوية وما إلى ذلك. يتم تصحيح هذا التأثير لدرجة الحرارة على قياس الأس الهيدروجيني عن طريق التعويض التلقائي (ATC) أو اليدوي لدرجة الحرارة (MTC). ومن ثمّ، من الأهمية بمكان معرفة درجة حرارة العينة أو استخدام مسبار درجة الحرارة. تؤدي درجة الحرارة المُعيَّنة بشكل خاطئ إلى حدوث خطأ قدره 0.12 وحدة من الأس الهيدروجيني لكل اختلاف قدره 5 درجات مئوية.

ب. تؤثر درجة الحرارة على قيمة الأس الهيدروجيني للعينة:
تتغير قيمة الأس الهيدروجيني للعينة مع تغير درجة الحرارة. ويُعدّ هذا تأثيرًا كيميائيًا يحدث لكل نوع من العينة بشكلٍ فردي. يتعذّر تعويض هذا التأثير؛ يتم عرض قيمة الأس الهيدروجيني الحقيقية فقط عند درجة الحرارة الفعلية. ومن ثمّ، من الأهمية بمكان مقارنة قيم الأس الهيدروجيني المقيسة عند نفس درجة الحرارة فقط.

استثناء: يتم تخزين اعتماد درجة حرارة الأس الهيدروجيني للعديد من المحاليل المنظمة التجارية في الجهاز. ونتيجة لذلك، يمكن معايرة القطب الكهربي في درجات حرارة مختلفة لأن الجهود المقيسة يتم إرجاعها تلقائيًا إلى 25 درجة مئوية أو 20 درجة مئوية. وللاستفادة من هذه الميزة، يلزم تحديد مجموعة المحاليل المنظمة المناسبة وقياس درجة الحرارة في أثناء المعايرة.

يعتمد قياس التوصيلية الكهربية بدرجة كبيرة على درجة الحرارة (فرق مقداره 2% تقريبًا حسب درجة الحرارة). ولا يمكن مقارنة النتائج إلا إذا كانت درجة حرارة جميع العينات متطابقة أو إذا كانت القيمة تشير إلى درجة حرارة مرجعية معينة.

في معظم الحالات، يتم استخدام تعويض درجة الحرارة الخطي. يجب على المُشغّل تحديد 20 درجة مئوية أو 25 درجة مئوية كدرجة حرارة مرجعية. يتم بعد ذلك ضرب الفرق بين درجة الحرارة المقيسة ودرجة الحرارة المرجعية بواسطة عامل تعويض يسمى α (وحدة؛٪/درجة مئوية)، والذي بدوره يعوض التوصيلية الكهربية.

ولتنفيذ هذا الإجراء بشكل صحيح، يجب تحديد معامل التعويض الخطي α لكل عينة. على الرغم من أن اعتماد درجة الحرارة يعتبر خطيًا، إلا أن هذا المعامل "الخطي" نفسه يعتمد في الواقع على تركيز الأيونات ودرجة حرارة العينة. إنّ ضبط المصنع لـ α هو 2.00%/درجة مئوية. في جميع مقاييس Five وSeven، يمكن تعديل α من 0.00%/درجة مئوية - مما يعني عدم وجود تعويض لدرجة الحرارة على الإطلاق - إلى 10%/درجة مئوية.

يضم مركز اختصاص ودعم الأس الهيدروجيني (pH CSC) في METTLER TOLEDO فريقًا من الخبراء في التحليل الكهروكيميائي المباشر. ونظرًا لعلاقة الفريق الوثيقة بالعملاء والدعم الفني وإدارة المنتجات وتطوير المنتجات، يمكنهم تقديم مشورة سريعة وحلول فعالة، مما يجعل هذه الخدمة فريدة من نوعها في عالم تحليل الأس الهيدروجيني.

ويتضمن الدعم الفني والتطبيقي المقدَّم معلمات القياس التالية ومعدات مختبرات الأس الهيدروجيني التي توفرها METTLER TOLEDO:

• الأس الهيدروجيني
• الأكسدة والاختزال (جهد الأكسدة والاختزال (ORP))
• تركيز الأيونات (ISE)
• التوصيلية الكهربية
• الأكسجين المذاب (DO)