principio del medidor de ph

- May 28, 2019-

Historia
La historia de la medición de la acidez de los líquidos comenzó eléctricamente en 1906 cuando Max Cremer, en sus estudios de interfaces de líquidos [1] (interacciones entre líquidos y sólidos) descubrió que la interfaz entre líquidos podía estudiarse soplando una fina burbuja de vidrio y colocando una líquido adentro y otro afuera. Creó un potencial eléctrico que podría medirse.

Esta idea fue llevada más allá por Fritz Haber (quien inventó la síntesis de amoníaco y fertilizante artificial) y Zygmunt Klemsiewicz [2] quien descubrió que el bulbo de vidrio (que llamó electrodo de vidrio ) podía usarse para medir la actividad del ion hidrógeno y que esto siguió Una función logarítmica.

El bioquímico danés Soren Sorensen inventó la escala de pH en 1909.

Debido a que la resistencia en la pared del vidrio es muy alta, típicamente entre 10 y 100 megaohmios, el voltaje del electrodo de vidrio no se pudo medir con precisión hasta que se inventaron los tubos de electrones. Más tarde aún, la invención de los transistores de efecto de campo (FET) y los circuitos integrados (IC) con compensación de temperatura, permitió medir con precisión el voltaje del electrodo de vidrio. El voltaje producido por una unidad de pH (digamos de pH = 7.00 a 8.00) es típicamente de aproximadamente 60 mV (milivoltios). Los medidores de pH actuales contienen microprocesadores que hacen las correcciones necesarias para la temperatura y la calibración. Aun así, los medidores de pH modernos aún sufren deriva (cambios lentos), lo que hace que sea necesario calibrarlos con frecuencia.

También se han realizado mejoras en la química del vidrio de modo que la contaminación por sal e iones halógenos podría detenerse. El electrodo de referencia, que tradicionalmente usaba cloruro de plata (AgCl), ha sido reemplazado por el electrodo kalomel (cloruro mercuro, HgCl2) que usa cloruro mercúrico (HgCl) en una solución de cloruro de potasio (KCl) como gel (como la gelatina). Pero los electrodos no tienen vida eterna y necesitan ser reemplazados cuando se mueven de manera inaceptable o demoran mucho en instalarse.

[1] Cremer M (1906): Z. Biol, 47, 562
[2] Haber F y Z Klemensiewicz (1909): Z. Physik. Chem., 67, 385


Cómo funciona un medidor de pH
Cuando un metal se pone en contacto con otro, se produce una diferencia de voltaje debido a sus diferencias en la movilidad de los electrones. Cuando un metal se pone en contacto con una solución de sales o ácidos, se produce un potencial eléctrico similar, lo que ha llevado a la invención de las baterías. De manera similar, se desarrolla un potencial eléctrico cuando un líquido se pone en contacto con otro, pero se necesita una membrana para mantener dichos líquidos separados.

Un medidor de pH mide esencialmente el potencial electroquímico entre un líquido conocido dentro del electrodo de vidrio (membrana) y un líquido desconocido afuera. Debido a que el bulbo de vidrio delgado permite que los iones de hidrógeno pequeños y ágiles interactúen con el vidrio, el electrodo de vidrio mide el potencial electroquímico de los iones de hidrógeno o el potencial del hidrógeno . Para completar el circuito eléctrico, también se necesita un electrodo de referencia. Tenga en cuenta que el instrumento no mide una corriente sino solo un voltaje eléctrico, sin embargo, se necesita una pequeña fuga de iones desde el electrodo de referencia, formando un puente conductor hacia el electrodo de vidrio. Por lo tanto, no se debe usar un medidor de pH en líquidos en movimiento de baja conductividad (por lo tanto, es preferible medir dentro de recipientes pequeños).
 

electrodos de pH esquemáticos El medidor de pH mide el potencial eléctrico (siga el dibujo en sentido horario del medidor) entre el cloruro mercúrico del electrodo de referencia y su líquido de cloruro de potasio, el líquido desconocido, la solución dentro del electrodo de vidrio y el potencial entre esa solución y El electrodo de plata. Pero solo el potencial entre el líquido desconocido y la solución dentro del electrodo de vidrio cambia de una muestra a otra. Por lo tanto, todos los demás potenciales pueden calibrarse fuera de la ecuación.

El electrodo de referencia de calomel consiste en un tubo de vidrio con un electrolito de cloruro de potasio (KCl) que está en contacto íntimo con un elemento de cloruro mercúrico al final de un elemento de KCL. Es una construcción frágil, unida por una punta de unión líquida hecha de cerámica porosa o material similar. Este tipo de electrodo no se 'envenena' fácilmente con metales pesados ​​y sodio.
El electrodo de vidrio consiste en un tubo de vidrio resistente con una delgada bombilla de vidrio soldada. En el interior hay una solución conocida de cloruro de potasio (KCl) tamponada a un pH de 7.0. Un electrodo de plata con una punta de cloruro de plata hace contacto con la solución interior. Para minimizar la interferencia electrónica, la sonda está protegida por un blindaje de aluminio, que a menudo se encuentra dentro del electrodo de vidrio.
La mayoría de los medidores de pH modernos también tienen una sonda de temperatura con termistor que permite la corrección automática de temperatura, ya que el pH varía un poco con la temperatura.
 

El agua es la sustancia más importante y milagrosa de la Tierra. Sus moléculas HOH forman una forma de boomerang con el extremo O ligeramente negativo y el extremo H2 + ligeramente cargado positivamente. Estos bumeranes cargados se atraen entre sí, formando islas de cohesión, de modo que el agua forma un líquido a temperaturas donde la vida prospera, mientras que realmente debería haber sido un gas muy volátil como el sulfuro de hidrógeno (H2S) que tiene casi el doble de su peso molecular. En la superficie de la Tierra, el agua se presenta en forma sólida (hielo), líquido (agua) y en forma gaseosa (vapor o vapor de agua). En zonas frías, las tres fases coexisten.
El agua también es única porque es tanto un ácido (con iones H +) como una lejía (con iones OH-). Por lo tanto, es tanto ácido como básico (alcalino) al mismo tiempo, lo que hace que sea estrictamente neutral ya que el número de iones H + es igual al de los iones OH-. Debido a su fuerte cohesión, solo unas pocas moléculas de agua se disocian (dividen) en sus iones constituyentes: iones de hidrógeno (H +) e iones hidroxilo (OH-). Los químicos insistirían en que los iones H + son realmente iones H3O + o iones hidronio.

Sabiendo que un molar de agua pesa 18 gramos (1 + 1 + 16), lo que equivale a 18 ml, y que esta cantidad contiene una gran cantidad de moléculas [1], solo 0.1 millonésima (10 -7 ) mol se disocian en un litro de agua (pH = 7). [2]

La diferencia de potencial entre el interior del electrodo de vidrio y el exterior es causada por los óxidos de silicio en el costado del vidrio:
Si.O - + H3.O + = Si.OH + + H2.O

Una vez que se establece el equilibrio iónico, la diferencia de potencial entre la pared de vidrio y la solución viene dada por la ecuación:
E = R x T / ( F x ln ( a ))
Donde E = potencial de electrones (Volt), R = constante de gas molar 8.314 J / mol / ºK, F = constante de Faraday 96485.3 ºC, T = temperatura en ºKelvin y a = la actividad de los iones de hidrógeno (iones hidronio).
ln ( a ) = el logaritmo natural que se convierte al logaritmo decimal = 2.303 x log ( a )
La combinación R x T / ( 2.303 x F ) es de aproximadamente 0.060 V (60 mV) por aumento de diez veces en iones de hidrógeno o una unidad de pH.
El rango de pH de 0 a 14 explica las actividades de hidronio de 10 a 1E-14 mol / litro. Un mol de agua pesa 18 gramos. Un pH = 7 corresponde a la actividad de hidronio de 1E-7 mol / litro (1E-7). Debido a que log (10 -7 ) = -7, la escala de pH deja el signo menos.

Aunque los electrodos de vidrio de pH modernos han visto mejoras importantes, todavía no les gustan algunas sustancias bajas en iones H +, como los hidróxidos alcalinos (NaOH y KOH), agua destilada pura, sustancias de grabado como el fluoruro, sustancias adsorbentes como metales pesados ​​y proteínas.

La mayoría de los medidores de pH modernos tienen sensores de temperatura incorporados para corregir la desviación de temperatura automáticamente para dar valores como si se tomaran a una temperatura estándar de 25ºC. La lectura no está influenciada por la temperatura a pH = 7.00 pero fuera de esto por 0.003 por ºC. Por lo tanto, un pH tomado a 5ºC (20º lejos de 25ºC), que muestra 4.00 debe corregirse hacia abajo en 0.003 x 20 x 3.00 = 0.18. Asimismo, un valor de pH de 10.00 debe corregirse hacia arriba en esta cantidad.

El cuidado de un medidor de pH depende de los tipos de electrodo en uso. Estudie las recomendaciones del fabricante. Cuando se usa con frecuencia, es mejor mantener el electrodo húmedo, ya que humedecer un electrodo seco lleva mucho tiempo, acompañado de una deriva de señal. Sin embargo, a los medidores de pH modernos no les importa que sus electrodos se sequen, siempre que se hayan enjuagado completamente en agua corriente o cloruro de potasio. Cuando está en expedición, midiendo el agua de mar, el medidor de pH puede dejarse húmedo con agua de mar. Sin embargo, durante períodos prolongados, se recomienda humedecerlo con una solución de cloruro de potasio a pH = 4 o en el tampón de calibración ácido de pH = 4.01. A los medidores de pH no les gusta dejarlos en agua destilada.
Tenga en cuenta que una sonda de pH que se mantiene húmeda en una solución ácida puede influir en los resultados cuando no se enjuaga antes de insertarla en el vial de prueba. Recuerde que un líquido de pH = 4 tiene 10,000 iones de hidrógeno más que un líquido de pH = 8. Por lo tanto, una sola gota de pH = 4 en un vial que mide 400 gotas de pH = 8 realmente perturba las mediciones. Recuerde también que las soluciones de calibración consisten en tampones químicos que 'intentan' mantener los niveles de pH constantes, por lo que la contaminación de su vial de prueba con un tampón es realmente grave.

[1] La constante de Avogadro es 602,213,670,000,000,000,000,000 (602.214 billones de billones) o 6.02E23, nombrada en honor a Amedeo Avogadro. Un mol de una sustancia química contiene este número de moléculas. Amedeo Avogadro (1776-1856) fue un físico italiano. Propuso en 1811 su famosa hipótesis, ahora conocida como la ley de Avogadro. La ley establece que volúmenes iguales de todos los gases a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de moléculas. Avogadro también distinguió entre un átomo y una molécula, e hizo posible determinar una tabla correcta de pesos atómicos.
[2] En el sitio web de Seafriends usamos frecuentemente la notación exponencial E, de modo que 2.34E-4 significa 2.34 x 10 -4 .


La escala de pH
Los valores de pH tienen más sentido en comparación con los de las sustancias conocidas. Tenga en cuenta que la escala de pH es logarítmica y que cada valor siguiente contiene diez veces menos iones de hidrógeno. Un pH = 0 contiene más, y es altamente ácido.
0 0 5% de ácido sulfúrico, H2SO4, ácido de batería.
1 0.1 N HCl, ácido clorhídrico (1.1)
2 Jugo de limon. Vinagre (2.4-3.4)
3 vino (3.5-3.7)
4 4 Zumo de naranja. Jugo de manzana (3.8). Cerveza. Tomates.
5 5 Queso cottage. Café negro. Agua de lluvia 5.6.
6 6 Leche. Pescado (6.7-7). pollo (6.4-6.6).
7 7 Neutro: números iguales de iones de hidrógeno e hidroxilo. Sangre (7.3-7.4). Agua destilada sin CO2, después de hervir.
8 Agua de mar (8.1). Clara de huevo.
9 9 Bórax. bicarbonato de sodio.
10 Leche de magnesia, hidróxido de magnesio Mg (OH) 2.
11 Amoniaco
12 Desarrollador fotográfico, lejía doméstica
13 Limpiador de hornos
14 Lejía de sodio NaOH, 1 mol / litro.