pH-meting

Een zeer belangrijke meting in veel vloeibare chemische processen (industrieel, farmaceutisch, productie, voedselproductie, enz.) is die van pH:de meting van de waterstofionenconcentratie in een vloeibare oplossing. Een oplossing met een lage pH-waarde wordt een "zuur" genoemd, terwijl een oplossing met een hoge pH een "bijtende stof" wordt genoemd. De gebruikelijke pH-schaal loopt van 0 (sterk zuur) tot 14 (sterk bijtend), waarbij 7 in het midden zuiver water (neutraal) vertegenwoordigt:

pH wordt als volgt gedefinieerd:de kleine letter "p" in pH staat voor de negatieve gemeenschappelijke (grondtal tien) logaritme, terwijl de hoofdletter "H" staat voor het element waterstof. De pH is dus een logaritmische meting van het aantal mol waterstofionen (H+) per liter oplossing. Overigens wordt het voorvoegsel "p" ook gebruikt bij andere soorten chemische metingen waarbij een logaritmische schaal gewenst is, waarbij pCO2 (kooldioxide) en pO2 (zuurstof) twee van dergelijke voorbeelden zijn.

De logaritmische pH-schaal werkt als volgt:een oplossing met 10 ^-12 mol H+ ionen per liter heeft een pH van 12; een oplossing met 10 ^-3 mol H+-ionen per liter heeft een pH van 3. Hoewel het zeer ongebruikelijk is, bestaat er zoiets als een zuur met een pH-waarde onder 0 en een loog met een pH boven 14. Dergelijke oplossingen zijn begrijpelijkerwijs behoorlijk geconcentreerd en extreem reactief.

pH-elektroden

Hoewel de pH kan worden gemeten door kleurveranderingen in bepaalde chemische poeders (de "lakmoesstrip" is een bekend voorbeeld van scheikundelessen op de middelbare school), vereist continue procesbewaking en controle van de pH een meer geavanceerde benadering. De meest gebruikelijke benadering is het gebruik van een speciaal geprepareerde elektrode die is ontworpen om waterstofionen in de oplossing door een selectieve barrière te laten migreren, waardoor een meetbaar potentiaalverschil (voltage) wordt geproduceerd dat evenredig is met de pH van de oplossing:

Het ontwerp en de operationele theorie van pH-elektroden is een zeer complex onderwerp, dat hier slechts kort wordt onderzocht. Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat deze twee elektroden een spanning genereren die recht evenredig is met de pH van de oplossing. Bij een pH van 7 (neutraal) produceren de elektroden tussen hen 0 volt. Bij een lage pH (zuur) ontstaat er een spanning van één polariteit, en bij een hoge pH (bijtend) een spanning van de tegenovergestelde polariteit.

Meetelektrode

Een ongelukkige ontwerpbeperking van pH-elektroden is dat een van hen (de meting genoemd) elektrode) moet van speciaal glas zijn gemaakt om de ion-selectieve barrière te creëren die nodig is om waterstofionen af ​​te schermen van alle andere ionen die in de oplossing rondzweven. Dit glas is chemisch gedoteerd met lithiumionen, waardoor het elektrochemisch reageert op waterstofionen. Natuurlijk is glas niet precies wat je een 'geleider' zou noemen; het is eerder een extreem goede isolator.

Dit vormt een groot probleem als het onze bedoeling is om de spanning tussen de twee elektroden te meten. Het circuitpad van het ene elektrodecontact, door de glazen barrière, door de oplossing, naar de andere elektrode en terug door het contact van de andere elektrode, is een van extreem hoge weerstand.

Referentie-elektrode

De andere elektrode (de referentie genoemd) elektrode) is gemaakt van een chemische oplossing van neutrale (7) pH-bufferoplossing (meestal kaliumchloride) die ionen kan uitwisselen met de procesoplossing via een poreuze separator, waardoor een relatief lage weerstandsverbinding met de testvloeistof wordt gevormd. In eerste instantie zou men geneigd kunnen zijn te vragen:waarom niet gewoon een metalen draad in de oplossing dopen om een ​​elektrische verbinding met de vloeistof te krijgen? De reden dat dit niet werkt, is dat metalen de neiging hebben om zeer reactief te zijn in ionische oplossingen en een aanzienlijke spanning kunnen produceren over het grensvlak van metaal-op-vloeistofcontact.

Het gebruik van een natte chemische interface met de gemeten oplossing is noodzakelijk om het creëren van een dergelijke spanning te voorkomen, die natuurlijk door een meetapparaat ten onrechte zou worden geïnterpreteerd als een indicatie van pH.

Hier is een illustratie van de constructie van de meetelektrode. Let op het dunne, met lithium gedoteerde glazen membraan waarover de pH-spanning wordt gegenereerd:

Hier is een illustratie van de constructie van de referentie-elektrode. De poreuze overgang aan de onderkant van de elektrode is waar de kaliumchloridebuffer en de procesvloeistof met elkaar in contact komen:

Het doel van de meetelektrode is om de spanning te genereren die wordt gebruikt om de pH van de oplossing te meten. Deze spanning verschijnt over de dikte van het glas, waarbij de zilverdraad aan de ene kant van de spanning en de vloeibare oplossing aan de andere kant wordt geplaatst. Het doel van de referentie-elektrode is om de stabiele, spanningsloze verbinding met de vloeibare oplossing te bieden, zodat een compleet circuit kan worden gemaakt om de spanning van de glaselektrode te meten.

Hoewel de verbinding van de referentie-elektrode met de testvloeistof slechts enkele kilo-ohm is, kan de weerstand van de glaselektrode variëren van tien tot negenhonderd mega-ohm, afhankelijk van het ontwerp van de elektrode! Omdat elke stroom in dit circuit door beide . moet gaan de weerstanden van de elektroden (en de weerstand die wordt geboden door de testvloeistof zelf), deze weerstanden staan ​​in serie met elkaar en vormen daarom een ​​nog groter totaal.

Een gewone analoge of zelfs digitale voltmeter heeft een veel te lage interne weerstand om de spanning in zo'n hoogohmig circuit te meten. Het equivalente schakelschema van een typisch pH-sondecircuit illustreert het probleem:

Zelfs een zeer kleine circuitstroom die door de hoge weerstand van elke component in het circuit gaat (met name het glazen membraan van de meetelektrode), zal relatief aanzienlijke spanningsdalingen over die weerstanden veroorzaken, waardoor de spanning die door de meter wordt gezien aanzienlijk wordt verminderd. Wat de zaken nog erger maakt, is het feit dat het spanningsverschil dat door de meetelektrode wordt gegenereerd erg klein is, in het millivoltbereik (idealiter 59,16 millivolt per pH-eenheid bij kamertemperatuur). De meter die voor deze taak wordt gebruikt, moet zeer gevoelig zijn en een extreem hoge ingangsweerstand hebben.

De meest gebruikelijke oplossing voor dit meetprobleem is het gebruik van een versterkte meter met een extreem hoge interne weerstand om de elektrodespanning te meten, om zo min mogelijk stroom door het circuit te trekken. Met moderne halfgeleidercomponenten, een voltmeter met een ingangsweerstand tot 10 ¹⁷ Ω kan met weinig moeite worden gebouwd. Een andere benadering, zelden gezien in hedendaags gebruik, is om een ​​potentiometrische "nulbalans" spanningsmeetopstelling te gebruiken om deze spanning te meten zonder een te tekenen. stroom van het te testen circuit. Als een technicus de uitgangsspanning tussen een paar pH-elektroden wil controleren, zou dit waarschijnlijk de meest praktische manier zijn om dit te doen met alleen standaard tafelmeetapparatuur:

Zoals gebruikelijk zou de precisiespanningsvoorziening door de technicus worden aangepast totdat de nuldetector nul registreerde, waarna de voltmeter die parallel met de voeding is aangesloten, zou worden bekeken om een ​​spanningsmeting te verkrijgen. Als de detector "nul" is (precies nul registreren), zou er nulstroom in het pH-elektrodecircuit moeten zijn en daarom mag er geen spanning over de weerstanden van beide elektrodes vallen, waardoor de echte elektrodespanning op de voltmeterterminals wordt verkregen.

De bedradingsvereisten voor pH-elektroden zijn vaak zelfs strenger dan thermokoppelbedrading, en vereisen zeer schone verbindingen en korte afstanden van draad (10 meter of minder, zelfs met vergulde contacten en afgeschermde kabel) voor nauwkeurige en betrouwbare metingen. Net als bij thermokoppels worden de nadelen van elektrode-pH-meting echter gecompenseerd door de voordelen:goede nauwkeurigheid en relatieve technische eenvoud.

Er zijn maar weinig instrumentatietechnologieën die het ontzag en de mystiek van pH-meting inspireren, omdat het zo algemeen verkeerd wordt begrepen en moeilijk op te lossen is. Zonder in te gaan op de exacte chemie van pH-metingen, kunnen hier enkele wijsheden worden gegeven over pH-meetsystemen:

• Alle pH-elektroden hebben een beperkte levensduur, en die levensduur hangt sterk af van het type en de ernst van het onderhoud. In sommige toepassingen kan een levensduur van een pH-elektrode van één maand als lang worden beschouwd, en in andere toepassingen kan worden verwacht dat dezelfde elektrode(n) meer dan een jaar meegaan.
• Omdat de glazen (meet)elektrode verantwoordelijk is voor het genereren van de pH-proportionele spanning, moet deze als verdacht worden beschouwd als het meetsysteem niet voldoende spanningsverandering genereert voor een gegeven verandering in pH (ongeveer 59 millivolt per pH eenheid), of reageert niet snel genoeg op een snelle verandering in de pH van de testvloeistof.
• Als een pH-meetsysteem "afwijkt", waardoor offsetfouten ontstaan, ligt het probleem waarschijnlijk bij de referentie-elektrode, die verondersteld wordt een nulspanningsverbinding met de gemeten oplossing te bieden.
• Omdat pH-meting een logaritmische weergave is van de ionenconcentratie, is er een ongelooflijke reeks procesomstandigheden die worden weergegeven in de schijnbaar eenvoudige pH-schaal van 0-14. Vanwege de niet-lineaire aard van de logaritmische schaal, vertegenwoordigt een verandering van 1 pH aan de bovenkant (bijvoorbeeld van 12 naar 13 pH) niet dezelfde hoeveelheid verandering in chemische activiteit als een verandering van 1 pH aan de onderkant (zeg, van 2 tot 3 pH). Ingenieurs en technici van besturingssystemen moeten zich bewust zijn van deze dynamiek als er enige hoop is op controle proces pH op een stabiele waarde.
• De volgende omstandigheden zijn gevaarlijk voor (glas)elektroden:hoge temperaturen, extreme pH-waarden (zuur of alkalisch), hoge ionconcentratie in de vloeistof, slijtage, fluorwaterstofzuur in de vloeistof (HF-zuur lost glas op!), en elke soort materiaalcoating op het oppervlak van het glas.
• Temperatuurveranderingen in de gemeten vloeistof beïnvloeden zowel de respons van de meetelektrode op een bepaald pH-niveau (idealiter bij 59 mV per pH-eenheid) als de werkelijke pH van de vloeistof. Er kunnen temperatuurmeetapparaten in de vloeistof worden gestoken en de signalen van die apparaten worden gebruikt om het effect van temperatuur op de pH-meting te compenseren, maar dit compenseert alleen de mV/pH-respons van de meetelektrode, niet de werkelijke pH-verandering van het proces vloeistof!

Er worden nog steeds vorderingen gemaakt op het gebied van pH-metingen, waarvan sommige veelbelovend zijn voor het overwinnen van traditionele beperkingen van pH-elektroden. Een dergelijke technologie maakt gebruik van een apparaat dat een veldeffecttransistor wordt genoemd om elektrostatisch de spanning te meten die wordt geproduceerd door een ionendoorlatend membraan in plaats van de spanning te meten met een echt voltmetercircuit. Hoewel deze technologie zijn eigen beperkingen heeft, is het in ieder geval een baanbrekend concept en kan het op een later tijdstip praktischer blijken te zijn.

BEOORDELING:

• pH is een weergave van waterstofionenactiviteit in een vloeistof. Het is de negatieve logaritme van het aantal waterstofionen (in mol) per liter vloeistof. Dus:10 ^-11 mol waterstofionen in 1 liter vloeistof =11 pH. 10 ^-5.3 mol waterstofionen in 1 liter vloeistof =5,3 pH.
• De basis pH-schaal loopt van 0 (sterk zuur) tot 7 (neutraal, zuiver water) tot 14 (sterk bijtend). Chemische oplossingen met pH-waarden onder nul en boven 14 zijn mogelijk, maar zeldzaam.
• pH kan worden gemeten door de spanning te meten die wordt geproduceerd tussen twee speciale elektroden die in de vloeibare oplossing zijn ondergedompeld.
• Eén elektrode, gemaakt van een speciaal glas, heet de meting elektrode. Het is een taak om een ​​kleine spanning te genereren die evenredig is met de pH (idealiter 59,16 mV per pH-eenheid).
• De andere elektrode (de referentie genoemd) elektrode) gebruikt een poreuze verbinding tussen de gemeten vloeistof en een stabiele, neutrale pH-bufferoplossing (meestal kaliumchloride) om een ​​elektrische nulspanningsverbinding met de vloeistof tot stand te brengen. Dit biedt een continuïteitspunt voor een compleet circuit, zodat de spanning die wordt geproduceerd over de dikte van het glas in de meetelektrode kan worden gemeten met een externe voltmeter.
• De extreem hoge weerstand van het glazen membraan van de meetelektrode vereist het gebruik van een voltmeter met een extreem hoge interne weerstand, of een nulbalans voltmeter, om de spanning te meten.