Introduzione ai misuratori di pH e agli elettrodi di pH
Poiché la misurazione accurata dei valori di pH di soluzioni o sostanze specifiche è una variabile essenziale in molte situazioni, i misuratori di pH sono strumenti comunemente utilizzati in molte applicazioni industriali. Un pHmetro è un dispositivo elettrico che misura l'attività degli ioni idrogeno (acidità o alcalinità) in una soluzione, che viene espressa, in definitiva, come valore di pH, ed è costituito da un voltmetro collegato a un elettrodo di misurazione del pH e a un elettrodo di riferimento.
Che cos'è un elettrodo per pH?
Gli elettrodi per pH, che sono sensori analitici, vengono utilizzati per misurare il potenziale dell'idrogeno (pH), ovvero il logaritmo negativo dell'attività degli ioni idrogeno, in una soluzione. La tecnologia alla base degli elettrodi per pH non è cambiata molto nell'ultimo mezzo secolo, ma la loro produzione rimane un'arte. Gli elettrodi per pH sono realizzati con un vetro di composizione speciale in grado di rilevare la concentrazione di ioni idrogeno. Il corpo in vetro speciale di un elettrodo viene soffiato nella sua configurazione da soffiatori di vetro e non si tratta di un processo particolarmente avanzato o "high tech", ma è comunque una fase molto critica e importante nella produzione di elettrodi per pH.
Elettrodi per pH combinati
In un elettrodo per pH combinato, che è la varietà di elettrodo più utilizzata, l'elettrodo per pH e il riferimento sono alloggiati in un unico corpo. Il potenziale generato nel punto di giunzione della parte di misurazione è dovuto agli ioni idrogeno liberi presenti in una particolare soluzione. Il potenziale della parte di riferimento è prodotto dall'elemento interno a contatto con la soluzione di riempimento di riferimento e questo potenziale è sempre costante. Con un elettrodo per pH combinato, l'elettrodo di misura fornisce una tensione variabile e l'elettrodo di riferimento fornisce una tensione costante al misuratore. Il segnale di tensione prodotto dall'elettrodo per pH è un segnale molto piccolo e ad alta impedenza. L'impedenza in ingresso è necessaria e deve essere interfacciata solo con apparecchiature con circuiti ad alta impedenza. L'impedenza di ingresso necessaria è superiore a 1013 ohm, motivo per cui gli elettrodi per pH non si interfacciano direttamente con tutte le apparecchiature.
Elettrodi per pH combinati con corpo in vetro e ricaricabili
Gli elettrodi per pH combinati sono disponibili in una varietà di tipi sia per applicazioni di laboratorio che industriali. Sono tutti realizzati in vetro e sono quindi soggetti a rottura. Gli elettrodi sono progettati per misurare principalmente mezzi acquosi. Non sono progettati per essere utilizzati in solventi, come il CC14, che non contengono ioni idrogeno liberi.
A causa della sua natura costruttiva, è essenziale che un elettrodo per pH sia sempre mantenuto umido. Per funzionare correttamente, il corpo in vetro di un elettrodo per pH deve essere idratato, condizione necessaria affinché avvenga il processo di scambio ionico. Se un elettrodo dovesse seccarsi, è consigliabile immergerlo in acqua di rubinetto per mezz'ora per ricondizionare il vetro.
Gli elettrodi per pH combinati sono simili alle batterie: si scaricano con il tempo e l'uso. Con l'invecchiamento dell'elettrodo, il suo corpo in vetro cambia resistenza. Questa variazione di resistenza altera il potenziale dell'elettrodo e, per questo motivo, gli elettrodi devono essere calibrati regolarmente. La calibrazione in una soluzione tampone di pH corregge questa variazione. La calibrazione di qualsiasi apparecchiatura di pH dovrebbe sempre iniziare con il tampone 7,0, poiché questo è il "punto zero". La scala del pH ha una scala mV equivalente. La scala mV va da +420 a -420 mV. A un pH di 7,0 il valore mV è 0. Ogni variazione di pH corrisponde a una variazione di +/- 60 mV. Man mano che i valori di pH diventano più acidi, i valori mV diventano più grandi. Ad esempio, un pH di 4,0 corrisponde a un valore di 180 mV. Man mano che i valori di pH diventano più basici, i valori mV diventano più negativi; pH = 9 corrisponde a -120 mV. La doppia calibrazione utilizzando tamponi 4,0 o 10,0 fornisce una maggiore accuratezza del sistema.
Come funziona un elettrodo combinato per il monitoraggio del pH?
Gli elettrodi combinati per il pH sono progettati per consentire agli ioni idrogeno presenti nella soluzione di attraversare una barriera selettiva, generando una differenza di tensione misurabile tra l'elettrodo di misura del pH e l'elettrodo di riferimento, proporzionale al livello di pH della soluzione. Ad esempio, a un livello di pH pari a sette, che è neutro, gli elettrodi produrranno zero volt tra di loro. A un livello di pH basso, acido, si svilupperà una tensione di una polarità. A un livello di pH alto, caustico/alcalino, si svilupperà una tensione di polarità opposta.
pH Meters
Per monitorare i livelli di pH in un'applicazione industriale, l'elettrodo combinato di pH viene collegato a un pH metro, che è, essenzialmente, un amplificatore ad alta impedenza che misura con precisione le tensioni dell'elettrodo e visualizza i risultati direttamente in unità di pH su uno schermo digitale.
Misuratore portatile di pH/mV e temperatura Manutenzione dell'elettrodo per pH
Il punto di giunzione di un elettrodo per pH può ostruirsi a causa delle particelle presenti nella soluzione e può anche facilitare l'avvelenamento da ioni metallici presenti nella soluzione. Se si sospetta che la giunzione sia ostruita, è consigliabile immergere l'elettrodo in acqua calda del rubinetto per sciogliere il materiale e pulire la giunzione. Gli elettrodi per pH devono essere sempre conservati in condizioni di umidità. Quando non utilizzati, è consigliabile conservarli in una soluzione acida, ad esempio un tampone 4,0. Non conservare mai gli elettrodi in acqua distillata o deionizzata, poiché ciò causerebbe la migrazione della soluzione di riempimento dall'elettrodo. Gli elettrodi per pH hanno una durata limitata a causa delle loro proprietà intrinseche. La durata di un elettrodo per pH dipende dalla cura con cui viene trattato e dalle soluzioni che viene utilizzato per misurare. In genere, un elettrodo per pH combinato riempito di gel dura da sei mesi a un anno, a seconda della cura e dell'applicazione. Anche se un elettrodo è non utilizzato, continua comunque a invecchiare. Se conservato in condizioni umide, l'elettrodo dovrebbe durare circa un anno. Il deterioramento dell'elettrodo è solitamente caratterizzato da una risposta lenta, letture irregolari o letture che non cambiano. Quando ciò si verifica, l'elettrodo non può più essere calibrato. Gli elettrodi pH sono fragili e hanno una durata limitata. La durata di un elettrodo è determinata dalla qualità della manutenzione della sonda e dall'applicazione: più il sistema è aggressivo, minore è la durata. Per questo motivo, è sempre consigliabile avere a disposizione un elettrodo di riserva per evitare tempi di inattività del sistema. Anche la calibrazione è una parte importante della manutenzione dell'elettrodo. Ciò garantisce non solo il corretto funzionamento dell'elettrodo, ma anche il corretto funzionamento del sistema.
