Właściwości roztworów - wartość pH

Wartość pH to miara kwasowości badanego roztworu i jest określeniem zawartości jonów wodorowych w wodzie. Cząsteczki wody lub kwasu dysocjują (rozpadają się) na jony wodorowe (H+) i wodorotlenkowe (OH-). Nie mniej jednak warto zaznaczyć, że tylko część całościowej ilości cząsteczek wody przekształca się na jony wodorowe. W przypadku kwasów np. kwasu solnego, 100 procent całościowej ilości kwasu w roztworze dysocjuje na jony wodorowe i chlorkowe (Cl-). Obecność rozpuszczonych zasad również wpływa na ilość jonów wodorowych w roztworze wodnym. Wodorotlenek sodu w sodzie kaustycznej (NaOH) rozpada się prawie w 100 procentach na jony sodowe (Na+) i wodorotlenkowe. A zatem im więcej jonów wodorowych lub wodorotlenkowych zawiera roztwór, tym bardziej agresywnie reaguje. Powyższa analiza stanowi podstawę do określenia, co dokładnie wskazuje pomiar pH i jakie idą za tym właściwości danego roztworu.

Wartości pH

Wartości pH roztworów wodnych można przedstawić za pomocą skali pH. Zawarte w niej wartości pH obejmują wartości od silnie kwasowych do silnie zasadowych (alkalicznych).

Rys.1. Skala pH

Roztwór o wartości pH równej 7 zawiera równe ilości jonów wodorowych i wodorotlenkowych (dokładny punkt obojętny zależy od temperatury). Przykładem takie roztworu jest woda. Wartości pH powyżej 7 określają właściwość badanego roztworu jako zasadowy. Zawartość jonów wodorotlenkowych (OH-) przewyższa zawartość jonów wodorowych (H+) w danym roztworze. Natomiast roztwory o wartości pH mniejszej niż 7 są kwaśne i zawierają więcej jonów wodorowych niż wodorotlenkowych.

Pomiar pH

Od 1999 roku istnieje globalnie obowiązujące porozumienie dotyczące wartości pH (IUPAC, Provisional Recommendations). Normy krajowe i międzynarodowe przewidują, że wartość pH musi być mierzona elektrochemicznie za pomocą elektrody szklanej. W ten sposób elektrochemiczna zasada pomiaru jest podstawą wszystkich znormalizowanych metod pomiaru pH. Wprowadzone ujednolicenie może tłumaczyć fakt, ze wartość pH może być mierzona na wiele różnych sposobów: kolorymetrycznie, fotometrycznie lub elektrochemicznie a wynik pomiaru pH jest jedną z tych zmiennych procesowych, w przypadku których wynik pomiaru zależy od zastosowanej metody pomiarowej. Zastosowane metody pomiarowe prowadzą do różnych wyników pomiarów, a każde z nich mogą być prawidłowe.

Elektrody pH

Elektrody wykorzystywane do pomiaru pH składają się z dwóch półogniw elektrochemicznych, elektrody pomiarowej i elektrody odniesienia. Wartość pH mierzonego roztworu odzwierciedlana jest w postaci wytwarzanego przez jony wodorowe potencjału na elektrodzie pomiarowej. Potencjał elektrody odniesienia pozostałe stały i nie zależy od wartości pH. Potencjał pomiędzy tymi dwoma elektrodami nazywane jest napięciem układu elektrodowego.

Rys.2. Symboliczne przedstawienie układu pomiarowego pH

W praktyce, te dwie elektrody są połączone ze sobą w bardziej poręczną elektrodę kombinowaną, w której elektroda szklana i elektroda odniesienia połączone w jednym urządzeniu.

Elektroda kombinowana

Elektroda szklana jest najbardziej efektywnym czujnikiem do pomiaru pH. Jej obszar roboczy obejmuje niemal cały zakres pH. Elementem pomiarowym jest zaokrąglona końcówka w dolnej części elektrody pH - membrana. Zbudowana jest ze specjalnego szkła krzemianowego, a jej powierzchnia jest wrażliwa na jony wodorowe, które wiążą się z jej powierzchnią i równoważą ujemny potencjał elektrody. Liczba jonów wodorowych związanych z membraną zależy od aktywności jonów wodorowych w mierzonym roztworze, czyli wartość pH, jaki posiada badany elektrolit. Elektroda pomiarowa naładowana ujemnie kompensuje swój ładunek elektryczny z naładowanymi dodatnio jonami wodorowymi.

Budowa elektrody

Kombinowana sonda pH składa się ze szklanej elektrody pH otoczonej elektrodą odniesienia. Ważnymi elementami konstrukcyjnymi w tym zastosowaniu są: materiał wypełniający elektrodę odniesienia, elektrolit, a ponadto otwór w dolnym końcu elektrody odniesienia - diafragma, oraz zaokrąglona szklana końcówka w dolnym końcu elektrody - membrana szklana. Elektrolit i membrana muszą być dopasowane do siebie w zależności od zastosowania. W przypadku silnie zanieczyszczonych cieczy, takich jak ścieki, zawiesiny lub emulsje, wymagane są membrany niewrażliwe na zanieczyszczenia, np. pierścieniowe lub szlifowane. Ze względu na mniejszą lepkość, w tym przypadku pomiaru roztworów o małej gęstości, takich ja np. woda, konieczne jest zastosowanie membran o drobnych porach, takich jak membrany ceramiczne lub z włókna szklanego.