Корисник:MarkoMixa17/песак

Bekmanov model M pH metra, 1937[1]

pH metar je naučni instrument koji meri aktivnost vodoničnih jona u vodenim rastvorima, ukazujući na njihovu kiselost ili alkalnost izraženu kao pH.[2] pH metar meri razliku u električnom potencijalu između pH elektrode i referentne elektrode, pa se pH metar ponekad naziva "potenciometrijski pH metar". Razlika u električnom potencijalu odnosi se na kiselost ili pH rastvora.[3] Testiranje pH pomoću pH metara (pH-metrija) koristi se u mnogim primenama, od laboratorijskih eksperimenata do kontrole kvaliteta.[4]

Primene

Brzina i ishod hemijskih reakcija koje se odvijaju u vodi često zavise od kiselosti vode, te je korisno znati kiselost vode, koja se obično meri pomoću pH metra.[5] Poznavanje pH je korisno ili kritično u mnogim situacijama, uključujući hemijske laboratorijske analize. pH metri se koriste za merenja pH vrednosti zemljišta u poljoprivredi, kvalitetu vode za komunalne vodovode, bazene, sanaciju životne sredine, proizvodnju vina ili piva, proizvodnju, zdravstvene i kliničke primene poput hemije krvi, i mnoge druge primene.[6]

Bekmanov model 72 pH metra, 1960

Napredak u instrumentaciji i detekciji proširio je broj primena u kojima se pH merenja mogu izvoditi. Uređaji su miniaturizovani, omogućujući direktno merenje pH unutar živih ćelija.[6] Pored merenja pH tečnosti, posebno dizajnirane elektrode su dostupne za merenje pH polučvrstih supstanci, poput hrane. Ove elektrode imaju vrhove pogodne za probijanje polučvrstih supstanci, materijale elektroda kompatibilne sa sastojcima u hrani i otporne su na začepljenje.[7]

Dizajn i upotreba

Princip rada

Potenciometrijski pH metri mere napon između dve elektrode i prikazuju rezultat konvertovan u odgovarajuću pH vrednost. Sastoje se od jednostavnog elektronskog pojačivača i para elektroda, ili alternativno kombinovane elektrode, i nekog oblika displeja kalibrisanog u pH jedinicama. Obično ima staklenu elektrodu i referentnu elektrodu, ili kombinovanu elektrodu. Elektrode, ili sonde, ubacuju se u rastvor koji se testira.[8] pH metri mogu takođe biti bazirani na antimon elektrodi (obično se koristi za grube uslove) ili kinonhidron elektrodi.

781 pH/jon metar pH metar od Metroma

Korišćenje jednog od prvih Bekmanovih pH metara u laboratoriji

Da bi se tačno izmerila razlika potencijala između dve strane staklene membrane referentne elektrode, obično je potrebna elektroda od srebro-hlorida ili kalomel elektroda sa svake strane membrane. Njihova svrha je da mere promene u potencijalu na njihovim odgovarajućim stranama. Jedna je ugrađena u staklenu elektrodu. Druga, koja dolazi u kontakt sa testnim rastvorom preko poroznog čepa, može biti odvojena referentna elektroda ili može biti ugrađena u kombinovanu elektrodu. Rezultujući napon će biti razlika potencijala između dve strane staklene membrane, moguće kompenzovana nekom razlikom između dve referentne elektrode, koja se može kompenzovati. Članak o staklenoj elektrodi ima dobar opis i sliku.

Dizajn elektroda je ključni deo: To su strukture u obliku štapa obično napravljene od stakla, sa sijalicom koja sadrži senzor na dnu. Staklena elektroda za merenje pH ima staklenu sijalicu posebno dizajniranu da bude selektivna za koncentraciju vodoničnih jona. Pri uranjanju u rastvor koji se testira, vodonični joni u testnom rastvoru menjaju se sa drugim pozitivno naelektrisanim jonima na staklenoj sijalici, stvarajući elektrohemijski potencijal preko sijalice. Elektronski pojačivač detektuje razliku u električnom potencijalu između dve elektrode generisanu u merenju i konvertuje razliku potencijala u pH jedinice. Veličina elektrohemijskog potencijala preko staklene sijalice je linearno povezana sa pH prema Nernstovoj jednačini.

Referentna elektroda je neosetljiva na pH rastvora, sastavljena od metalnog provodnika, koji je povezan sa displejom. Ovaj provodnik je uronjen u elektrolit rastvor, obično kalijum hlorid, koji dolazi u kontakt sa testnim rastvorom preko porozne keramičke membrane.[9] Displej se sastoji od voltmetra, koji prikazuje napon u jedinicama pH.[9]

Pri uranjanju staklene elektrode i referentne elektrode u testni rastvor, električno kolo je završeno, u kojem se stvara potencijalna razlika i detektuje voltmetarom. Krug se može zamisliti kao da ide od provodnog elementa referentne elektrode do okolnog rastvora kalijum-hlorida, kroz keramičku membranu do testnog rastvora, stakla selektivnog za vodonične jone staklene elektrode, do rastvora unutar staklene elektrode, do srebra staklene elektrode, i konačno do voltmetra uređaja za prikazivanje.[9] Napon varira od testnog rastvora do testnog rastvora u zavisnosti od potencijalne razlike stvorene razlikom u koncentracijama vodoničnih jona na svakoj strani staklene membrane između testnog rastvora i rastvora unutar staklene elektrode. Sve ostale potencijalne razlike u krugu ne variraju sa pH i koriguju se kalibracijom.[9]

Radi jednostavnosti, mnogi pH metri koriste kombinovanu sondu, konstruisanu sa staklenom elektrodom i referentnom elektrodom smeštenom unutar jedne sonde. Detaljan opis kombinovanih elektroda dat je u članku o staklenim elektrodama.[10]

pH metar se kalibriše rastvorima poznatog pH, obično pre svake upotrebe, kako bi se osigurala tačnost merenja.[11] Da bi se izmerio pH rastvora, elektrode se koriste kao sonde, koje se uranjaju u testne rastvore i drže dovoljno dugo da se vodonični joni u testnom rastvoru izjednače sa jonima na površini sijalice staklene elektrode. Ovo izjednačavanje obezbeđuje stabilno pH merenje.[12]

Dizajn pH elektrode i referentne elektrode

Detalji izrade i rezultirajuće mikrostrukture staklene membrane pH elektrode čuvaju se kao poslovne tajne proizvođača.[13]: 125  Međutim, određeni aspekti dizajna su objavljeni. Staklo je čvrsti elektrolit, za koji alkalno-metalni joni mogu nositi struju. Staklena membrana osetljiva na pH obično je sferična kako bi se pojednostavila proizvodnja uniformne membrane. Ove membrane su do 0,4 milimetara debljine, deblje od originalnih dizajna, kako bi sonde bile izdržljive. Staklo ima silikatnu hemijsku funkcionalnost na svojoj površini, što obezbeđuje mesta za vezivanje alkalno-metalnih jona i vodoničnih jona iz rastvora. Ovo obezbeđuje kapacitet za jonsku izmenu u opsegu od 10−6 do 10−8 mol/cm2. Selektivnost za vodonične jone (H+) proizlazi iz ravnoteže jonskog naelektrisanja, zahteva za volumenom naspram drugih jona i koordinacionog broja drugih jona. Proizvođači elektroda razvili su kompozicije koje adekvatno balansiraju ove faktore, najpoznatije litijum staklo.[13]: 113–139 

Srebro-hlorid elektroda se najčešće koristi kao referentna elektroda u pH metrima, iako neki dizajni koriste zasićenu kalomel elektrodu. Srebro-hlorid elektroda je jednostavna za proizvodnju i pruža visoku reproduktivnost. Referentna elektroda obično se sastoji od platinaste žice koja je u kontaktu sa smešom srebro/srebro-hlorida, koja je uronjena u rastvor kalijum-hlorida

Održavanje

Zbog osetljivosti elektroda na kontaminante, čistoća sondi je ključna za tačnost i preciznost. Sondi se obično čuvaju vlažnim kada nisu u upotrebi uz sredstvo koje odgovara određenoj sondi, što obično predstavlja vodenastu otopinu koja je dostupna od proizvođača sonda.[11][15] Proizvođači sonda pružaju uputstva za čišćenje i održavanje svojih dizajna sondi.[11] Na primer, jedan proizvođač laboratorijskih pH merača daje uputstva za čišćenje određenih kontaminanata: opšto čišćenje (15-minutno potapanje u rastvoru hlora i deterdženta), so (rastvor hlorovodonične kiseline zatim rastvor natrijum-hidroksida i vode), mast (deterdžent ili metanol), začepljenje referentnog spoja (rastvor KCl), naslage proteina (pepsin i HCl, rastvor 1%), i vazdušni mehurići.

Kalibracija i rad

5.739 pH/jon na temperaturi od 23 °C prikazan na fotografiji. pH 7110 pH metar proizvođača inoLab

Nemački Institut za standardizaciju objavljuje standard za merenje pH vrednosti koristeći pH metar, DIN 19263.

Veoma precizna merenja zahtevaju kalibraciju pH metra pre svakog merenja. Češće se kalibracija obavlja jednom dnevno tokom rada. Kalibracija je neophodna jer staklena elektroda ne daje reprodukovane elektrostatične potencijale tokom dužih vremenskih perioda.

U skladu sa principima dobre laboratorijske prakse, kalibracija se vrši sa najmanje dve standardne rastvore za kalibraciju koje pokrivaju opseg pH vrednosti koje treba meriti. Za opštu upotrebu, rastvori pH 4,00 i pH 10,00 su pogodni. pH metar ima jednu kontrolu za kalibraciju koja podešava očitanje metra na vrednost prvog standardnog rastvora i drugu kontrolu za podešavanje očitanja metra na vrednost drugog rastvora. Treća kontrola omogućava podešavanje temperature. Standardne kesice sa rastvorima, dostupne od različitih dobavljača, obično dokumentuju temperaturnu zavisnost kontrole rastvora. Preciznija merenja ponekad zahtevaju kalibraciju na tri različite pH vrednosti. Neki pH metri obezbeđuju ugrađenu korekciju koeficijenta temperature, sa temperaturnim termoparima u elektrodama. Proces kalibracije korelira napon proizveden od strane sonde (približno 0,06 volti po jedinici pH) sa pH skalom. Dobra laboratorijska praksa nalaže da se nakon svakog merenja, sonde isperu destilovanom vodom ili dejonizovanom vodom kako bi se uklonili tragovi rastvora koji se meri, obrisu specijalnim vatom za laboratorijske svrhe kako bi se upila preostala voda, koja bi mogla da razblaži uzorak i time promeni očitanje, a zatim potope u rastvor za skladištenje pogodan za određeni tip sonde.

Jednostavan pH metar

Tipovi pH metara

Uopšteno, postoje tri glavne kategorije pH metara. Stojeći pH metri često se koriste u laboratorijama i služe za merenje uzoraka koji se donose na analizu pH metru. Prenosni ili terenski pH metri su ručni uređaji za merenje pH vrednosti uzorka na terenu ili proizvodnom mestu. Ugrađeni ili in situ pH metri, takođe nazvani pH analizatori, koriste se za kontinuirano merenje pH vrednosti u procesu i mogu raditi nezavisno ili biti povezani sa višim nivoom informacionog sistema za kontrolu procesa.

pH metri variraju od jednostavnih i jeftinih uređaja sličnih olovkama do složenih i skupih laboratorijskih instrumenata sa računarskim interfejsima i više ulaza za unos indikatora i temperatura kako bi se prilagodili varijacijama pH vrednosti uzrokovanih temperaturom. Izlaz može biti digitalan ili analogni, a uređaji mogu biti napajani baterijama ili se oslanjati na mrežno napajanje. Neke verzije koriste telemetriju za povezivanje elektroda sa displejom voltmetra.

pH metar zemljišta

Posebni metri i sonde dostupni su za upotrebu u specijalnim aplikacijama, poput surovih okruženja i bioloških mikrookruženja. Postoje i holografski pH senzori, koji omogućavaju colorimetrijsko merenje pH vrednosti, koristeći raznovrsne pH indikatore koji su dostupni. Dodatno, komercijalno su dostupni pH metri zasnovani na elektrodama čvrstog stanja, umesto konvencionalnih staklenih elektroda.

Istorija

Koncept pH vrednosti definisan je 1909. godine od strane S. P. L. Sørensena, a elektrode su korišćene za merenje pH vrednosti 1920-ih godina.

"Novi Bekmnaov džepni pH metar",1956

U oktobru 1934. godine, Arnold Orville Beckman registrovao je prvi patent za kompletni hemijski instrument za merenje pH vrednosti, pod brojem patenta 2,058,761 u Sjedinjenim Američkim Državama, za svoj "acidimeter", kasnije preimenovan u pH metar. Beckman je razvio prototip kao asistent profesora hemije na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, kada je zamoljen da osmisli brz i precizan metod za merenje kiselosti limunovog soka za "California Fruit Growers Exchange" (Sunkist).

1. aprila 1935. godine, Beckmanovo preimenovano Nacionalno tehničko laboratorije fokusiralo se na proizvodnju naučnih instrumenata, sa Arthur H. Thomas Company kao distributerom njegovog pH metra. U prvoj punoj godini prodaje, 1936. godine, kompanija je prodala 444 pH metra za 60.000 dolara. U narednim godinama, kompanija je prodala milione jedinica. 2004. godine, Beckman pH metar je dobio status ACS Nacionalnog istorijskog hemijskog spomenika u priznanju njegovog značaja kao prvog komercijalno uspešnog elektronskog pH metra.

Radiometer Corporation iz Danske osnovana je 1935. godine i počela je prodaju pH metra za medicinsku upotrebu oko 1936. godine, ali "razvoj automatskih pH metara za industrijske svrhe je bio zapostavljen. Umesto toga, američki proizvođači instrumenata uspešno su razvili industrijske pH metare sa širokim spektrom primena, kao što su u pivarama, papirnim fabrikama, fabrikama aluminijuma i sistemima za tretman vode."

Tokom 1940-ih godina, elektrode za pH metar su često bile teške za izradu ili nisu bile pouzdane zbog krhkog stakla. Dr. Werner Ingold počeo je da industrijski proizvodi jednorodne merne ćelije, kombinaciju merne i referentne elektrode u jedinici za konstrukciju, što je dovelo do šire prihvaćenosti u raznim industrijama, uključujući i proizvodnju farmaceutskih proizvoda.

Beckman je već 1956. godine plasirao na tržište prenosni "Pocket pH Meter", ali nije imao digitalni prikaz. Tokom 1970-ih godina, Jenco Electronics iz Tajvana dizajnirao je i proizveo prvi prenosni digitalni pH metar. Ovaj merač je prodavan pod etiketom kompanije Cole-Parmer Corporation.

Izrada pH metra

Za izradu elektroda potrebna je specijalizovana proizvodnja, a detalji njihovog dizajna i konstrukcije obično su poslovna tajna. Međutim, uz kupovinu odgovarajućih elektroda, standardni multimetar može se koristiti za završetak izgradnje pH metra. Ipak, komercijalni dobavljači nude displeje voltmetera koji pojednostavljuju upotrebu, uključujući i kalibraciju i kompenzaciju temperature.

Reference

1. "Beckman Coulter Product Milestones" (PDF). Beckman Coulter. Retrieved 5 April 2017.

2. "pH meter". Encyclopædia Britannica Online. 2016. Retrieved 10 March 2016.

3. Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology (2 ed.), ed. Richard Cammack, Teresa Atwood, Peter Campbell, Howard Parish, Anthony Smith, Frank Vella, and John Stirling, Oxford University Press 2006, ISBN 9780198529170

4. "pH Measurement and Value". Global Water. Xylem, Inc. Retrieved 21 March 2017.

5. Bell, Ronald Percy. "Acid-Base Reaction". Encyclopaedia Britannica. Encyclopaedia Britannica, Inc. Retrieved 21 March 2017.

6. Loiselle, F.B.; Casey, J.R. (2010). "Measurement of Intracellular pH". Membrane Transporters in Drug Discovery and Development. Methods in Molecular Biology. Vol. 637. pp. 311–31. doi:10.1007/978-1-60761-700-6_17. ISBN 978-1-60761-699-3. PMID 20419443.

7. "pH Measurement Handbook" (PDF). PragoLab. Thermo Scientific, Inc. Retrieved 22 March 2017.

8. Riddle, Peter (2013). "pH meters and their electrodes: calibration, maintenance and use". The Biomedical Scientist. April: 202–205.

9. Anthoni, J. Floor. "pH Meter Principles". seafriends.org. Seafriends Marine Conservation and Education Centre. Retrieved 28 March 2017.

10. Vanýsek, Petr (2004). "The Glass pH Electrode" (PDF). Interface. No. Summer. The Electrochemical Society. pp. 19–20. Retrieved 3 April 2017.

11. Bitesize Bio: How to Care for Your pH Meter, Steffi Magub, 18 May 2012.

12. "Theory and Practice of pH Measurement" (PDF). Emerson Process Management. December 2010. Archived from the original (PDF) on 2016-10-20. Retrieved 2017-04-03.

13. Galster, Helmuth (1991). pH Measurement: Fundamentals, Methods, Applications, Instrumentation. Weinheim: VCH Publishers, Inc. ISBN 978-3-527-28237-1.

14. Ltd, W G Pye and Co (1962). "Potentiometric pH Meter". Journal of Scientific Instruments. 39 (6): 323. doi:10.1088/0950-7671/39/6/442.

15. MRC lab: How to Store, Clean, and Recondition pH Electrodes Archived 2015-09-22 at the Wayback Machine.

16. Cleaning electrodes.

17. "pH Measurement - pH Measuring Chains". Beuth publishing DIN. Beuth Verlag GmbH. Retrieved 28 March 2017.

18. "How to perform a pH meter calibration". all-about-pH.com. Retrieved 14 December 2016.

19. "What is a pH Meter and How Does it Work?". Mettler-Toledo LLC. Retrieved 21 July 2021.

20. "A guide to pH Measurement Theory and Practice". Mettler-Toledo LLC. Retrieved 21 July 2021.

21. Olson, Vickie (2015-04-15). "How to Select a pH Sensor for Harsh Process Environments". automation.isa.org. International Society for Automation. Retrieved 31 March 2017.

22. AK Yetisen; H Butt; F da Cruz Vasconcellos; Y Montelongo; CAB Davidson; J Blyth; JB Carmody; S Vignolini; U Steiner; JJ Baumberg; TD Wilkinson; CR Lowe (2013). "Light-Directed Writing of Chemically Tunable Narrow-Band Holographic Sensors". Advanced Optical Materials. 2 (3): 250. doi:10.1002/adom.201300375. S2CID 96257175.

23. "pH Electrode". pH-meter.info. Retrieved 30 March 2017.

24. Travis, Anthony S.; Schröter, H.G.; Homburg, E.; Morris, P.J.T. (1998). Determinants in the evolution of the European chemical industry : 1900-1939 : new technologies, political frameworks, markets and companies. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ. p. 332. ISBN 978-0-7923-4890-0. Retrieved 29 May 2015.

25. Arnold Thackray & Minor Myers, Jr. (2000). Arnold O. Beckman : one hundred years of excellence. foreword by James D. Watson. Philadelphia, Pa.: Chemical Heritage Foundation. ISBN 978-0-941901-23-9.

26. "Development of the Beckman pH Meter". National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. Retrieved March 25, 2013.

27. Luther, Claudia (May 19, 2004). "Arnold O. Beckman, 104". Chicago Tribune News. Retrieved 8 March 2014.

28. Jaehnig, Kenton G. Finding Aid to the Beckman Historical Collection 1911 - 2011 (Bulk 1935 - 2004 ). Retrieved 30 October 2015. Click on 'Beckman Historical Collection Finding Aid' to go to full document.  : |website= ignored (help)

29. 15.3.1957: English Patent – Measuring assemblies for the determination of ion concentrations and redox potentials, particularly suitable for carrying out measurements at elevated temperatures. Patent No. 850177

30. Dr. A. Fiechter, Dr. W. Ingold und A. Baerfuss, Chemie-Ingenieur-Technik 10 (1964) 1000-1004: "Die pH-Kontrolle in der mikrobiologischen Verfahrenstechnik"

31. "Here's the new Beckman Pocket pH Meter". Science History Institute. 1956. Retrieved 6 August 2019.

32. Buie, John. "Evolution of the pH Meter". Lab Manager. Retrieved October 7, 2010. 33. "Building the Simplest Possible pH Meter". 66pacific.com. Retrieved 29 March 2017.