Thiết Bị Đo pH Trong Phòng Thí Nghiệm

Điện hoá học là nghiên cứu về các phản ứng hoá học xảy ra trong một dung dịch liên quan đến quá trình chuyển electron giữa điện cực và chất điện ly. Các phép đo điện hoá bao gồm:

• pH
• Độ dẫn điện (Cond)
• Điện thế oxy hoá khử (ORP hoặc Redox)
• Nồng độ ion (ISE)
• Oxy hoà tan (DO)

pH là thang đo được sử dụng để xác định độ axit hoặc tính kiềm của các dung dịch nước. Giá trị pH tương quan với nồng độ (trở nên chính xác hơn: với hoạt tính) của ion hydro. Các dung dịch có pH nhỏ hơn 7 là dung dịch có tính axit (nồng độ ion hydro cao) và các dung dịch có pH lớn hơn 7 là dung dịch cơ bản (nồng độ ion hydro thấp).

pH được đo để:

• Sản xuất các sản phẩm có thuộc tính xác định
  
• Giảm chi phí sản xuất sản phẩm
  
• Đảm bảo chất lượng sản phẩm, tránh thiệt hại về người, vật liệu và môi trường
  
• Đáp ứng các yêu cầu quy định
• Bảo vệ thiết bị
  
• Có kiến thức đầy đủ hơn để nghiên cứu và phát triển

Thiết bị đo pH trong phòng thí nghiệm được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau như:

• Dược phẩm và công nghệ sinh học
• Sản phẩm từ sữa
• Xử lý đất và nước thải
• Mỹ phẩm
• Lọc nước
  
• Thực phẩm và đồ uống

Ngoài ra, thiết bị đo pH cũng cần thiết cho các ứng dụng bên ngoài phòng thí nghiệm. Bao gồm các địa điểm gần hoặc trong môi trường sản xuất công nghiệp và tại hiện trường (để đo nước, nước thải, đất, v.v.).

Các công cụ cần thiết để đo pH khá đơn giản và cung cấp số đo đáng tin cậy khi được sử dụng đúng cách. Thiết bị đo pH điển hình trong phòng thí nghiệm bao gồm:

• Máy đo pH: Một biến trở đo hiệu điện thế giữa điện cực thuỷ tinh và điện cực so sánh, đồng thời tính toán giá trị pH.
• Cảm biến: Một điện cực tham chiếu và một điện cực pH để tạo thành mạch điện. Ngày nay chúng có thể được kết hợp với nhau và được gọi là điện cực pH kết hợp.

Các công cụ khác cần thiết là:

• Dung dịch hiệu chuẩn: Trước khi đo pH của mẫu, phải sử dụng ít nhất hai dung dịch tham chiếu có giá trị pH đã biết để hiệu chuẩn điện cực pH.
• Mẫu: Mẫu là dung dịch cần đo, cần phải là dung dịch nước hoặc chứa đủ nước để có thể đo pH.

pH và độ dẫn điện có liên quan với nhau, nhưng không tuyến tính hoặc tuyệt đối.
Cảm biến pH chỉ phản ứng với H⁺ trong dung dịch, trong khi ở độ dẫn điện, cảm biến đo hoạt tính của tất cả các ion tích điện (ion âm và ion dương) có trong dung dịch. Mật độ ion càng cao thì khả năng dẫn điện càng cao.

Hơn nữa, tính linh động của một ion có tác động tăng cường độ dẫn điện. Trong số các ion phổ biến trong dung dịch, ion dương di động nhiều nhất là ion [H⁺] với giá trị 350 đơn vị và ion âm di động nhiều nhất là ion Hydroxyl [OH^-], 199 đơn vị. Các ion thông thường khác có giá trị nằm trong khoảng từ 40 đến 80 đơn vị. Điều này có nghĩa là các dung dịch có tính axit mạnh (hoặc bazơ mạnh) sẽ có độ dẫn điện cao. Vì pH là thước đo nồng độ của các ion Hydro, nên sẽ áp dụng các quy tắc sau:

• Trong dung dịch axit (< pH 7): pH càng thấp (ví dụ: nồng độ H⁺ càng cao) thì độ dẫn điện càng cao.
  
• Trong dung dịch kiềm (> pH 7): độ dẫn điện tăng khi pH tăng (ion OH^- tăng).
  
• pH trung tính (pH 7) là do nồng độ ion H⁺ và OH^- bằng nhau. Nhưng điều đó không có nghĩa là dung dịch không chứa bất kỳ ion nào khác góp phần vào độ dẫn điện của dung dịch.
  
  

Hãy xem xét một ví dụ: pH của nước khử ion về mặt lý thuyết là 7,0 và độ dẫn điện là 0,055 µS/cm. Nếu bạn thêm muối NaCl vào đó, dung dịch NaCl tạo thành sẽ vẫn có pH trung tính, nhưng độ dẫn điện của dung dịch có thể tăng lên rất nhiều tuỳ thuộc vào lượng NaCl thêm vào.

Tóm lại: pH và độ dẫn điện của một mẫu phải được xác định riêng biệt cho từng mẫu và không thể tương quan về mặt lý thuyết.

Các phép đo pH phụ thuộc vào nhiệt độ của mẫu. Những điểm dưới đây rất quan trọng và cần ghi nhớ:

a. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ dốc của điện cực:
Điện cực pH cung cấp điện thế (mV) giữa thiết bị đo và pin bán phần tham chiếu. Thiết bị đo pH trong phòng thí nghiệm tính toán giá trị pH từ điện thế này bằng cách sử dụng hệ số phụ thuộc nhiệt độ là -2,3 * R * T / F trong đó R là hằng số khí chung, T là nhiệt độ tính bằng Kelvin và F là hằng số Faraday. Ở 298 K (25 °C), hệ số là -59,16 mV/pH. Đây được gọi là độ dốc lý thuyết của điện cực ở nhiệt độ tham chiếu (25 °C). Ở các nhiệt độ khác nhau, giá trị độ dốc có thể được tính toán tương ứng. Ví dụ: -56,18 mV/pH ở 10 °C, -58,17 mV/pH ở 20 °C, -60,15 mV/pH ở 30 °C, v.v. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phép đo pH được điều chỉnh tự động (ATC) hoặc bù nhiệt độ thủ công (MTC). Do đó, điều quan trọng là phải biết nhiệt độ của mẫu hoặc sử dụng đầu dò nhiệt độ. Nhiệt độ cài đặt sai dẫn đến sai số là 0,12 đơn vị pH trên mỗi sự chênh lệch 5 °C.

b. Nhiệt độ ảnh hưởng đến giá trị pH của mẫu:
Giá trị pH của mẫu thay đổi theo nhiệt độ. Đây là một hiệu ứng hoá học và do đó hiệu ứng là riêng lẻ đối với từng loại mẫu. Ảnh hưởng này không thể được bù; chỉ có giá trị pH thực ở nhiệt độ thực được hiển thị. Do đó, điều quan trọng là chỉ so sánh các giá trị pH được đo ở cùng nhiệt độ.

Ngoại lệ: sự phụ thuộc nhiệt độ của pH của nhiều dung dịch đệm thương mại được lưu trữ trong thiết bị. Do đó, điện cực có thể được hiệu chuẩn ở các nhiệt độ khác nhau vì điện thế đo được tự động tham chiếu theo 25 °C hoặc 20 °C. Để nhận được lợi ích từ tính năng này, điều quan trọng là phải chọn đúng nhóm dung dịch đệm và đo nhiệt độ trong quá trình hiệu chuẩn.

Phép đo độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ (khoảng 2% dao động mỗi °C). Chỉ có thể so sánh kết quả nếu nhiệt độ của tất cả các mẫu giống nhau hoặc nếu giá trị đề cập đến một nhiệt độ tham chiếu nhất định.

Trong hầu hết các trường hợp, bù nhiệt độ tuyến tính được sử dụng. Người vận hành phải chọn 20 °C hoặc 25 °C làm nhiệt độ tham chiếu. Chênh lệch giữa nhiệt độ đo được và nhiệt độ chuẩn sau đó được nhân với hệ số bù gọi là α (đơn vị; %/°C), hệ số này bù cho độ dẫn điện.

Để thực hiện điều này một cách chính xác, phải xác định hệ số bù tuyến tính α cho mỗi mẫu. Mặc dù sự phụ thuộc nhiệt độ được coi là tuyến tính, nhưng trên thực tế, bản thân hệ số “tuyến tính” này phụ thuộc vào nồng độ ion và nhiệt độ của mẫu. Cài đặt ban đầu cho α là 2,00 %/°C. Trong cả Năm và Bảy mét, α có thể được điều chỉnh từ 0,00 %/°C - nghĩa là không bù nhiệt độ - đến 10 %/°C.

Trung Tâm Hỗ Trợ và Thẩm Quyền pH (pH CSC) của METTLER TOLEDO bao gồm một đội ngũ các chuyên gia phân tích điện hoá trực tiếp. Đội ngũ này tiếp xúc gần với khách hàng thường xuyên nên có thể cung cấp dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật, quản lý và phát triển sản phẩm, tư vấn nhanh và các giải pháp hiệu quả, khiến dịch vụ này trở nên khá độc đáo trong lĩnh vực phân tích pH.

Các dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật và ứng dụng bao gồm các thông số đo và thiết bị thí nghiệm pH của METTLER TOLEDO liên quan sau đây:

• pH
• Oxy hoá khử (ORP)
• Nồng độ ion (ISE)
• Độ dẫn điện
• Oxy hoà tan (DO)