PH متر چیست

 یک ابزار علمی است که فعالیت یون هیدروژن را در محلول های مبتنی بر آب اندازه گیری می کند و اسیدیته یا قلیایی بودن آن را به صورت pH نشان می دهد.  PH متر اختلاف پتانسیل الکتریکی بین یک الکترود pH و یک الکترود مرجع را اندازه گیری می کند، بنابراین PH متر گاهی اوقات به عنوان “PH متر پتانسیومتری” نامیده می شود. تفاوت پتانسیل الکتریکی به اسیدیته یا pH محلول مربوط می شود.  pH متر در بسیاری از کاربردها از آزمایش های آزمایشگاهی گرفته تا کنترل کیفیت استفاده می شود .

کاربرد  phمتر

سرعت و نتیجه واکنش های شیمیایی که در آب انجام می شود اغلب به اسیدیته آب بستگی دارد و بنابراین دانستن اسیدیته آب که معمولاً با استفاده از pH متر اندازه گیری می شود مفید است. دانش pH در بسیاری از موقعیت ها، از جمله آنالیزهای آزمایشگاهی شیمیایی ، مفید یا حیاتی است. PH متر برای اندازه گیری خاک در کشاورزی ، کیفیت آب برای منابع آب شهری ، استخرهای شنا ، اصلاح محیط زیست استفاده می شود . دم کردن شراب یا آبجو؛ تولید ، مراقبت های بهداشتی و کاربردهای بالینی مانند شیمی خون; و بسیاری از برنامه های کاربردی دیگر. 

پیشرفت‌ها در ابزار دقیق و تشخیص ، تعداد کاربردهایی را که می‌توان در آن اندازه‌گیری pH انجام داد، افزایش داده است. این دستگاه ها کوچک شده اند و امکان اندازه گیری مستقیم pH داخل سلول های زنده را فراهم می کنند .  علاوه بر اندازه گیری pH مایعات، الکترودهای طراحی شده ویژه برای اندازه گیری pH مواد نیمه جامد، مانند غذاها، در دسترس هستند. اینها دارای نوک مناسب برای سوراخ کردن مواد نیمه جامد، دارای مواد الکترود سازگار با مواد موجود در مواد غذایی و مقاوم در برابر گرفتگی هستند. 

طراحی و استفاده

PH سنج پتانسیومتری ولتاژ بین دو الکترود را اندازه گیری می کند و نتیجه تبدیل شده به مقدار pH مربوطه را نمایش می دهد. آنها شامل یک تقویت کننده الکترونیکی ساده و یک جفت الکترود، یا در عوض یک الکترود ترکیبی، و نوعی صفحه نمایش کالیبره شده در واحدهای pH هستند. معمولاً دارای یک الکترود شیشه ای و یک الکترود مرجع یا یک الکترود ترکیبی است. الکترودها یا پروب ها در محلول مورد آزمایش قرار می گیرند. 

طراحی الکترودها بخش کلیدی است: اینها ساختارهای میله مانندی هستند که معمولاً از شیشه ساخته می شوند و یک لامپ حاوی حسگر در پایین هستند. الکترود شیشه‌ای برای اندازه‌گیری pH دارای یک لامپ شیشه‌ای است که به طور خاص برای انتخاب غلظت یون هیدروژن طراحی شده است. با غوطه ور شدن در محلول مورد آزمایش، یون های هیدروژن موجود در محلول آزمایشی با یون های بار مثبت دیگر روی حباب شیشه ای مبادله می کنند و یک پتانسیل الکتروشیمیایی در سراسر لامپ ایجاد می کنند. تقویت کننده الکترونیکی تفاوت پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود تولید شده در اندازه گیری را تشخیص می دهد و اختلاف پتانسیل را به واحدهای pH تبدیل می کند. مقدار پتانسیل الکتروشیمیایی در سراسر حباب شیشه ای به صورت خطی با pH مطابق با معادله نرنست مرتبط است .

الکترود مرجع نسبت به pH محلول حساس نیست و از یک هادی فلزی تشکیل شده است که به صفحه نمایش متصل می شود. این هادی در یک محلول الکترولیت، معمولاً کلرید پتاسیم، غوطه ور می شود که از طریق یک غشای سرامیکی متخلخل با محلول آزمایش در تماس است.  نمایشگر از یک ولت متر تشکیل شده است که ولتاژ را بر حسب واحد pH نمایش می دهد.

با غوطه ور شدن الکترود شیشه ای و الکترود مرجع در محلول آزمایش، یک مدار الکتریکی تکمیل می شود که در آن اختلاف پتانسیل ایجاد شده و توسط ولت متر تشخیص داده می شود. مدار را می توان به عنوان حرکت از عنصر رسانای الکترود مرجع به محلول کلرید پتاسیم اطراف، از طریق غشای سرامیکی به محلول آزمایشی، شیشه انتخابی یون هیدروژن الکترود شیشه، به محلول داخل الکترود شیشه ای، به نقره الکترود شیشه ای و در نهایت ولت متر دستگاه نمایشگر. ولتاژ از محلول آزمایشی به محلول آزمایشی دیگر بسته به اختلاف پتانسیل ایجاد شده توسط اختلاف غلظت یون هیدروژن در هر طرف غشای شیشه ای بین محلول آزمایش و محلول داخل الکترود شیشه ای متفاوت است. تمام تفاوت های پتانسیل دیگر در مدار با pH تغییر نمی کند و با استفاده از کالیبراسیون اصلاح می شود.

برای سادگی، بسیاری از PH مترها از یک پروب ترکیبی استفاده می کنند که با الکترود شیشه ای و الکترود مرجع موجود در یک پروب ساخته شده است. شرح مفصلی از الکترودهای ترکیبی در مقاله الکترودهای شیشه ای ارائه شده است . 

pH متر با محلول هایی با pH شناخته شده، معمولاً قبل از هر بار استفاده، کالیبره می شود تا از دقت اندازه گیری اطمینان حاصل شود. برای اندازه‌گیری pH یک محلول، از الکترودها به عنوان پروب استفاده می‌شود که در محلول‌های آزمایش فرو رفته و به اندازه کافی در آنجا نگه داشته می‌شوند تا یون‌های هیدروژن موجود در محلول آزمایش با یون‌های روی سطح لامپ به تعادل برسند. الکترود شیشه ای این تعادل یک اندازه گیری ثابت pH را فراهم می کند. 

طراحی الکترود pH و الکترود مرجع

جزئیات ساخت و ریزساختار حاصل از غشای شیشه ای الکترود pH به عنوان اسرار تجاری توسط سازندگان حفظ می شود. با این حال، جنبه های خاصی از طراحی منتشر شده است. شیشه یک الکترولیت جامد است که یون‌های فلز قلیایی می‌توانند جریان را برای آن حمل کنند. غشای شیشه ای حساس به pH به طور کلی کروی است تا ساخت یک غشاء یکنواخت را ساده کند. این غشاها تا 0.4 میلی متر ضخامت دارند که ضخیم تر از طرح های اصلی هستند تا پروب ها را بادوام کنند. شیشه دارای عملکرد شیمیایی سیلیکات بر روی سطح خود است که محل اتصال یون های فلز قلیایی و یون های هیدروژن از محلول ها را فراهم می کند. این یک ظرفیت تبادل یونی در محدوده 10-6 فراهم می کندبه 10-8 mol /  cm2 . انتخاب پذیری برای یون های هیدروژن (H + ) از تعادل بار یونی، حجم مورد نیاز در مقابل یون های دیگر و تعداد هماهنگی یون های دیگر ناشی می شود. سازندگان الکترود ترکیباتی را توسعه داده اند که به طور مناسب این عوامل را متعادل می کند، به ویژه شیشه لیتیوم.

الکترود کلرید نقره بیشتر به عنوان الکترود مرجع در pH متر استفاده می شود، اگرچه برخی از طرح ها از الکترود کالومل اشباع استفاده می کنند . ساخت الکترود کلرید نقره ساده است و قابلیت تکرار بالا را فراهم می کند . الکترود مرجع معمولاً از یک سیم پلاتین تشکیل شده است که با مخلوط نقره/کلرید نقره در تماس است که در محلول کلرید پتاسیم غوطه ور می شود. یک پلاگین سرامیکی وجود دارد که به عنوان یک تماس با محلول آزمایش عمل می کند و مقاومت کمی را ارائه می دهد و در عین حال از مخلوط شدن دو محلول جلوگیری می کند. با این طرح های الکترود، ولت متر اختلاف پتانسیل ± 1400 میلی ولت را تشخیص می دهد.  الکترودها بیشتر به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به سرعت با محلول‌های آزمایشی تعادل برقرار کنند تا سهولت استفاده را تسهیل کنند . زمان‌های تعادل معمولاً کمتر از یک ثانیه است، اگرچه زمان‌های تعادل با افزایش سن الکترودها افزایش می‌یابد.

نگهداری

به دلیل حساسیت الکترودها به آلاینده ها، تمیزی پروب ها برای دقت و دقت ضروری است . پروب‌ها معمولاً هنگامی که با محیط مناسب برای پروب خاص استفاده نمی‌شوند مرطوب نگه داشته می‌شوند، که معمولاً یک محلول آبی است که از تولیدکنندگان پروب در دسترس است.سازندگان پروب دستورالعمل هایی را برای تمیز کردن و حفظ طرح های پروب خود ارائه می دهند. برای مثال، یکی از سازنده‌های pH درجه آزمایشگاهی دستورالعمل‌های تمیز کردن آلاینده‌های خاص را ارائه می‌دهد: تمیز کردن عمومی (15 دقیقه خیساندن در محلول سفیدکننده و مواد شوینده)، نمک (محلول اسید کلریدریک و سپس هیدروکسید سدیم و آب)، گریس (شوینده یا مواد شوینده). متانول)، اتصال مرجع مسدود شده (محلول KCl)، رسوبات پروتئینی (پپسین و HCl، محلول 1٪)، و حباب های هوا.

کالیبراسیون

مؤسسه استانداردسازی آلمان استانداردی را برای اندازه گیری pH با استفاده از PH متر، DIN 19263 منتشر می کند.

اندازه گیری های بسیار دقیق ایجاب می کند که pH متر قبل از هر اندازه گیری کالیبره شود. به طور معمول کالیبراسیون یک بار در روز عملیات انجام می شود. کالیبراسیون مورد نیاز است زیرا الکترود شیشه ای پتانسیل های الکترواستاتیکی قابل تکرار را در دوره های زمانی طولانی تر نمی دهد. 

مطابق با اصول عملکرد خوب آزمایشگاهی ، کالیبراسیون با حداقل دو محلول بافر استاندارد انجام می‌شود که محدوده مقادیر pH را که باید اندازه‌گیری می‌شوند را پوشش دهند. برای اهداف عمومی، بافرهایی با pH 4.00 و pH 10.00 مناسب هستند. PH متر دارای یک کنترل کالیبراسیون برای تنظیم قرائت متر برابر با مقدار بافر استاندارد اول و یک کنترل دوم برای تنظیم قرائت کنتور با مقدار بافر دوم است. کنترل سوم اجازه می دهد تا دما را تنظیم کنید. کیسه های بافر استاندارد که از تامین کنندگان مختلف در دسترس هستند، معمولا وابستگی به دما را مستند می کننداز کنترل بافر اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر گاهی نیاز به کالیبراسیون در سه مقدار pH مختلف دارند. برخی از PH سنج ها با ترموکوپل های دما در پروب های الکترود، تصحیح ضریب دما داخلی را ارائه می دهند. فرآیند کالیبراسیون ولتاژ تولید شده توسط پروب (تقریباً 0.06 ولت در واحد pH) را با مقیاس pH مرتبط می کند. عمل خوب آزمایشگاهی حکم می کند که پس از هر اندازه گیری، پروب ها با آب مقطر یا آب دیونیزه شسته شوند تا آثاری از محلول اندازه گیری شده حذف شود، با یک دستمال مرطوب علمی پاک شود تا آب باقیمانده را جذب کند، که می تواند نمونه را رقیق کند و در نتیجه باعث تغییر در نمونه شود. خواندن، و سپس در محلول ذخیره سازی مناسب برای نوع خاص کاوشگر غوطه ور می شود.

انواع ph متر

به طور کلی سه دسته عمده PH متر وجود دارد. PH سنج های رومیزی اغلب در آزمایشگاه ها استفاده می شوند و برای اندازه گیری نمونه هایی که برای تجزیه و تحلیل به pH متر آورده می شوند، استفاده می شود. PH سنج های قابل حمل یا میدانی، pH سنج های دستی هستند که برای گرفتن pH نمونه در یک مزرعه یا محل تولید استفاده می شوند.  PH سنج‌های درون خطی یا درجا، که آنالایزرهای pH نیز نامیده می‌شوند، برای اندازه‌گیری pH به طور مداوم در یک فرآیند استفاده می‌شوند و می‌توانند به‌صورت مستقل یا به یک سیستم اطلاعات سطح بالاتر برای کنترل فرآیند متصل شوند. 

PH مترها از دستگاه های قلم مانند ساده و ارزان تا ابزارهای آزمایشگاهی پیچیده و گران قیمت با رابط های کامپیوتری و چندین ورودی برای اندازه گیری نشانگر و دما که باید برای تنظیم تغییرات pH ناشی از دما وارد شوند، متغیر است. خروجی می‌تواند دیجیتال یا آنالوگ باشد و دستگاه‌ها می‌توانند با باتری کار کنند یا به برق خط متکی باشند . برخی از نسخه ها از تله متری برای اتصال الکترودها به دستگاه نمایشگر ولت متر استفاده می کنند.

مترها و کاوشگرهای تخصصی برای استفاده در کاربردهای خاص مانند محیط های خشن و ریزمحیط های بیولوژیکی در دسترس هستند.  همچنین سنسورهای PH هولوگرافیک وجود دارد که امکان اندازه‌گیری pH را به صورت رنگ‌سنجی فراهم می‌کند و از انواع شاخص‌های pH موجود استفاده می‌کند.  علاوه بر این، pH سنج های تجاری موجود بر اساس الکترودهای حالت جامد ، به جای الکترودهای شیشه ای معمولی، وجود دارد. 

تاریخچه

مفهوم pH در سال 1909 توسط SPL Sørensen تعریف شد و از الکترودها برای اندازه گیری pH در دهه 1920 استفاده شد.

در اکتبر 1934، آرنولد ارویل بکمن اولین پتنت یک ابزار شیمیایی کامل برای اندازه گیری pH را به نام ثبت اختراع ایالات متحده به شماره 2058761 برای «اسیدیمتر» خود به ثبت رساند که بعداً به pH متر تغییر نام داد. بکمن نمونه اولیه را به عنوان استادیار شیمی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا ، زمانی که از او خواسته شد تا روشی سریع و دقیق برای اندازه‌گیری اسیدیته آب لیمو برای بورس پرورش دهندگان میوه کالیفرنیا ( Sunkist ) ابداع کند، توسعه داد.

در 8 آوریل 1935، لابراتوارهای ملی فنی بکمن که تغییر نام یافت، بر ساخت ابزارهای علمی متمرکز شدند و شرکت آرتور اچ. توماس به عنوان توزیع کننده PH متر آن. در اولین سال فروش کامل خود، 1936، شرکت 444 pH متر را به قیمت 60000 دلار فروخت. در سال‌های آینده، شرکت میلیون‌ها واحد از آن را فروخت. در سال 2004 pH سنج بکمن به عنوان یک نقطه عطف شیمیایی تاریخی ملی ACS به رسمیت شناختن اهمیت آن به عنوان اولین pH متر الکترونیکی موفق تجاری تعیین شد.

شرکت رادیومتر دانمارک در سال 1935 تأسیس شد و از حدود سال 1936 شروع به بازاریابی یک PH متر برای مصارف پزشکی کرد، اما “توسعه پی اچ مترهای اتوماتیک برای اهداف صنعتی نادیده گرفته شد. در عوض سازندگان ابزار آمریکایی با موفقیت پی اچ مترهای صنعتی با اندازه وسیع توسعه دادند. کاربردهای متنوعی از جمله در کارخانه های آبجوسازی، کاغذسازی، آلوم کاری و سیستم های تصفیه آب.” 

در دهه 1940، ساخت الکترودهای pH متر اغلب دشوار بود، یا به دلیل شکننده بودن شیشه، قابل اعتماد نبود. دکتر ورنر اینگولد شروع به صنعتی کردن تولید سلول‌های اندازه‌گیری تک میله‌ای، ترکیبی از اندازه‌گیری و الکترود مرجع در یک واحد ساختمانی کرد، که منجر به پذیرش گسترده‌تر در طیف وسیعی از صنایع از جمله تولید دارو شد.

بکمن در اوایل سال 1956 یک “پی اچ متر جیبی” قابل حمل را به بازار عرضه کرد، اما قابلیت خواندن دیجیتالی نداشت.در دهه 1970، Jenco Electronics از تایوان اولین PH متر دیجیتال قابل حمل را طراحی و تولید کرد. این متر با برچسب شرکت Cole-Parmer فروخته شد

ساخت ph متر

تولید تخصصی برای الکترودها مورد نیاز است و جزئیات طراحی و ساخت آنها معمولاً اسرار تجاری است.  اما با خرید الکترودهای مناسب می توان از مولتی متر استاندارد برای تکمیل ساخت PH متر استفاده کرد.با این حال، تامین کنندگان تجاری نمایشگرهای ولت متری را ارائه می دهند که استفاده را ساده می کند، از جمله کالیبراسیون و جبران دما.