Definitia pH

Definitia pH

pH este prescurtarea de la 'pondus hydrogenii'. Notiunea a fost introdusa de catre omul de stiinta danez S.P.L. Sorensen, in anul 1909, pentru a exprima concentratii mici de ioni de hidrogen si a fost definita ca logaritmul zecimal cu semn schimbat al concentratiei ionilor de hidrogen.

Majoritatea reactiilor chimice si biologice sunt insa guvernate de activitatea ionior de hidrogen si din acest motiv definitia pH-ului s-a modificat:

Acesta definitie este in stransa legatura cu definitia operationala a pH-ului, care se exprima in mod curent prin folosirea unui electrod normal de hidrogen si a solutiilor tampon standardizate, conform recomandarilor IUPAC.

Fig. 1. MeterLab® - set complet de masurare al pH-ului

Masurarea pH-ului

Legarea electrodului

pH-ul este masurat cu ajutorul unui aranjament de doi electrozi: un electrod de lucru (indicator) si un electrod de referinta , sau un electrod combinat ce poate indeplini ambele functii.

Cand cei doi electrozi sunt introdusi in solutie se formeaza o mica celula galvanica al carei potential este dependent de ambii electrozi.

Conditiile ideale de masura se indeplinesc atunci cand numai potentialul electrodului de lucru variaza la modificarea pH-ului, in timp ce potentialul electrodului de referinta ramane constant.

Diferenta de potential masurata poate fi exprimata cu ajutorul ecuatiei lui Nernst:

E = E _ind - E _ref = E' _T + R . T/F . ln a _H+

unde

E = potentialul masurat (mV)

E _ind = potentialul electrodului indicator (mV)

E _ref = potentialul electrodului de referinta (mV)

E' _T = constanta dependenta de temperatura (mV)

R = constanta universala a gazelor (8.3144 J/K)

T = temperatura absoluta (K)

F = constanta lui Faraday (96485 C)

Folosind logaritmul zecimal formula poate fi scrisa:

E = E' _T + 2.303 . R . T/F . log a _H+

Introducand definitia pH-ului acesta poate fi exprimat in functie de temperatura:

unde

R' = constanta = 0.1984 mV/K

S = sensibilitatea, un factor de corectie ce ia in considerare faptul ca raspunsul electrodului poate fi diferit de valoarea teoretica.

pH° = valoarea pH-ului pentru care potentialul masurat este zero.

In figura 2 este ilustrata dependenta pH° de temperatura.

Fig. 2. Relatia mV/pH la doua temperaturi diferite

Constructia electrodului

In figura 3  se prezinta electrodul de sticla tipic si un electrod de referinta de calomel.

Fig. 3. Schema constructiei clasice pentru electrozi

Atat structura membranei de sticla a electrodului de sticla, sensibila la variatii de pH, cat si compozitia solutiei tampon interne au influenta asupra potentialului dezvoltat.

Raspunsul electrodului consta in diferenta de potential dintre suprafata interioara si cea exterioara a membranei de sticla. Acesta tensiune este proportionala cu diferenta de pH dintre solutia interna si cea a probei de masurat. Potentialul electrodului este determinat de schimbul de ioni de H⁺ intre membrana de sticla si proba, schimb ce este dependent de concentratiile ionilor de H⁺ din cele doua solutii. Daca structura membranei de sticla nu este uniforma se poate dezvolta un potential asimetric chiar daca pH-ul este acelasi la ambele suprafete.

Electrodul de referinta poate fi un electrod argint/clorura de argint -Ag/AgCl reversibil in raport cu Cl^-, format din Ag aflat in contact cu sarea sa greu solubila AgCl si imersat in solutie saturata de KCl. Jonctiunea lichida, contactul cu solutia de masurat, este realizata prin materialul ceramic poros. Deoarece expune 333e48d rea prelungita la lumina intensa poate deteriora electrodul prin reducerea AgCl la Ag, acesta se introduce intr-o manta de sticla rosie. Activitatea ionilor de argint intr-o solutie saturata de AgCl este dictata de solubilitatea acestui compus ce poate fi caracterizata cantitativ prin constanta produsului de solubilitate. Potentialul electrodului este determinat de produsul de solubilitate al clorurii de argint si concentratia solutiei de KCl si din acesta cauza este constant.

Un electrod de referinta similar este electrodul de mercur/clorura mercuroasa (calomel). Un astfel de electrod nu este potrivit atunci cand au loc variatii de temperatura sau la temperaturi care depasesc 60 C.

Potentialul electrodului de referinta trebuie sa fie constant indiferent de solutia in care este imersat. Acesta situatie ideala apare daca transportul prin porii materialului ceramic implica numai ionii K⁺ si Cl^- si daca acestia au aceeasi mobilitate. Acesta este cazul majoritatii probelor, in domeniul de pH 1-13 si daca se foloseste o punte de sare ce contine KCl 3M. In cazul in care nu se indeplineste acesta situatie optima se creaza asa numitul potential de jonctiune lichida.

In tabelul 1 sunt listate potentialele de jonctiune in diferite probe, obtinute cu o punte de sare ce contine solutie saturata de KCl. Este evidenta dependenta potentialului de jonctiune de compozitia probei si, in special, de pH.

Tabelul 1. Potentialul de jonctiune lichida in diferite probe

In tabelul de mai jos sunt date conductivitatiile echivalente, la dilutie infinita, a unor solutii uzuale folosite in puntea de sare. Conductivitatiile egale ale anionilor si cationilor, folosite ca masura a mobilitatii lor, rezulta la cele mai scazute potentiale de jonctiune.

Tabelul 2. Conductivitatile echivalente ale unor ioni la dilutie infinita (S . cm²/equivalent) la 25°C

Tipuri de electrozi

Fig 4. Diferiti electrozi de sticla pentru diverse aplicatii

Electrozi de sticla

Electrozii de sticla sunt disponibili in diferite forme si sunt de diferite lungimi, astfel incat sa se potriveasca intr-un numar mare de aplicatii. Exista electrozi foarte subtiri de tip lance, electrozi cu membrana plata pentru masuratori de suprafata si asa mai departe. Forma , marimea si tipul electrodului de referinta intern poate varia, ca si compozitia membranei de sticla. Compozitia membranei de sticla, sensibila la variatiile de pH, determina potentialul electrodului, timpul de raspuns si sensibilitatea la alti ioni, altii decat H⁺. Ionii de sodiu, litiu si, intr-o mai mica masura, ionii de potasiu pot interfera la valori mai mari de pH (>pH 11). Aceasta interferenta este denumita eroare de alcalinitate. Daca ionii de sodiu sunt in numar prea mare fata de ionii de hidrogen, acestia pot patrunde in membrana de sticla. Aceasta inseamna ca electrodul va detecta concentratii ionice mai mari (datorate in realitate Na + si nu H+) iar pH-metrul va inregistra o valoare de pH mai mica decat cea reala.

Electrozii de sticla prezinta doua dezavantaje. Unul este ca solutiile de masura pot deteriora membrana de sticla si cel de al doilea este ca acesta membrana se poate sparge. Cea mai utilizata alternativa a electrodului de sticla este electrodul de stibiu. Stratul subtire de oxid format la suprafata stibiului metalic este sensibil la pH.

Electrozi de referinta

Exista diversi electrozi de referinta care difera prin:

• Constructia jonctiunii lichide
• Compozitia puntii de sare
• Compozitia electrochimica a electrodului

Cel mai obisnuit tip de jonctiune lichida este formata din sticla poroasa (frita). Depinzand de aplicatie se pot folosi si alte tipuri, cum ar fi: jonctiuni ceramice circulare, jonctiuni tip manson sau o jonctiune deschisa printr-un tub subtire de sticla. Acestea pot asigura un flux mai mare al solutiei puntii de sare, care este benefic atunci cand se masoara solutii cu tarii ionice foarte mari sau foarte mici. Anumite probe si solutii tampon, de exemplu, tampon TRIS sau solutiile tulburi cer astfel de jonctiuni lichide.

In fig 5 sunt prezentate 4 tipuri diferite de jonctiuni lichide. Este indicat , de asemenea, si modul tipic de curgere al solutiei de KCl.

Fig.5. Constructii de jonctiuni lichide cu flux de curgere clasic al solutiei de KCl

KCl nu poate fi utilizat ca solutie pentru puntea de sare daca:

• Interfera cu solutia de masurat
• Exista riscul de a se bloca jonctiunea lichida datorita precipitarii
• Este nemiscibil cu proba

Sunt disponibile doua alternative: un sistem cu jonctiune dubla, adica cu o a doua punte de sare care nu contine KCl, sau se poate folosi un sistem cu electrod modificat. Un exemplu ar fi un sistem cu sulfat mercuros si sulfat de potasiu. In tabelul 3 sunt aratate cateva posibilitati de combinare.

Tabelul 3. Potentialele pentru diferiti electrozi de referinta

Electrozi combinati

Deoarece este mai simplu sa se manuiasca un electrod in locul a doi electrozi, electrozii combinati sunt foarte utilizati. Electrodul de sticla si electrodul de referinta sunt usor de construit intr-o singura entitate. Astfel cei doi electrozi se afla la aceeasi temperatura in timpul operarii.

Constructia optima pentru a se asigura temperatura egala pentru ambii electrozi este cea a electrozilor combinati cu legare simetrica a electrozilor. In aceste cazuri electrodul intern al electrodului de sticla este de acelasi tip (Ag/AgCl) si de aceleeasi dimensiuni ca si electrodul de referinta, iar solutiile interne sunt identice (solutii saturate cu KCl).

Alegerea electrodului potrivit

Alegerea unei dimensiuni potrivite pentru electrod este dependenta de cantitatea de proba si de dimensiunea vasului ce trebuie folosit pentru masurare. Daca electrozii vor fi folositi in conditii dure cele mai potrivite tipuri sunt cele cu tija din plastic si cu capac de protectie. Daca masuratorile se vor face direct la suprafata este necesar un electrod plat, si asa mai departe.

Fig. 6. Selectarea corecta a electrodului de referinta in functie de conditiile de masurare

Masuratorile la temperaturi ridicate restrictioneaza alegerea electrodului avand in vedere faptul ca numai anumite sisteme electrochimice sunt stabile la temperaturi ridicate. Electrodul de calomel, de exemplu, nu poate rezista la temperaturi peste 60°C. In acest caz electrodul de calomel poate fi inlocuit cu un electrod de referinta Ag/AgCl. Temperatura scazuta prelungeste timpul de raspuns al electrozilor. Un timp de raspuns lung este de obicei cauzat de rezistenta electrica mare a membranei, care apare la membrane mici sau subtiri si la compozitii ale sticlei care sunt rezistente la solutii alcaline.
Pentru valori mari de pH si solutii saline concentrate se folosesc electrozi cu membrane de sticla rezistente la solutii alcaline. In celelalte cazuri trebuie sa se foloseasca un electrod cu membrana de sticla cu compozitie standard.
Cand se fac masuratori in emulsii sau solutii lipidice este importanta alegerea corecta a jonctiunii lichide. Este, de asemenea, important ca jonctiunea lichida sa poata fi inlocuita si curatata usor. Din acesta cauza sunt recomandate jonctiunile lichide deschise sau jonctiunile cu manson. Aceste tipuri de jonctiuni pot fi folosite , in unele cazuri, si pentru masuratori in solutii neapoase. De obicei este preferabil sa se foloseasca o punte de sare ce contine clorura de litiu. LiCl este solubila in multe medii organice in timp ce KCl are solubilitate limitata in medii neapoase.
In cazul in care clorura poate interfera/ contamina trebuie folosit un electrod a carui referinta este lipsita de clorura (de exemplu Hg/Hg₂SO₄ cu punte de sare de K₂SO₄), sau un electrod de referinta cu constructie dubla a puntii de sare.
Masuratorile de pH in apa pura si alte solutii cu tarie ionica mica pot cauza probleme.Desi trebuie sa se evite contaminarea solutiei de masura este necesar un flux mare de KCl pentru a minimiza potentialul jonctiunii lichide. Sunt recomandate, de aceea, jonctiunile circulare. Pot fi utilizate si jonctiunile cu manson, desi potentialele lor sunt mai putin stabile.
Pentru solutiile cu tarie ionica mare si pentru anumite solutii tampon este, de asemenea, necesar un flux mare pentru a asigura transportul ionic in jonctiune numai cu ioni de K⁺ si Cl^-. Sunt recomandate jonctiunile lichide deschise sau jonctiunile cu manson (a se vedea fig. 5). Masuratori de inalta precizie pot fi mai usor realizate prin folosirea de jonctiuni lichide deschise cu un flux mic si controlat.

Intretinerea electrodului

Intretinerea corespunzatoare a electrodului asigura:

• Un raspuns rapid
• Masuratori mult mai sigure
• Un timp de viata mai lung.

Electrodul de sticla si electrodul de referinta trebuie intretinuti diferit si de aceea sunt prezentati separat. Informatiile referitoare la electrozii de sticla si de referinta sunt aplicabile si la electrozii combinati.

Electrodul de sticla

Membrana de sticla trebuie mereu curatata. Pentru masuratori in solutii apoase este suficienta clatirea cu apa distilata. Este benefica si clatirea, o data pe saptamana, cu o solutie putin concentrata de detergent cum este cea de la Radiometer Analytical- RENOVO.N. Masurartorile realizate in solutii ce contin grasimi sau proteine necesita agenti de curatare mai puternici, cum ar fi o solutie alcalina de hipoclorit. Pentru a satisface aceste conditii s-a dezvoltat RENOVO.X
Intre masuratori electrodul de sticla trebuie sa fie pastrat in apa distilata sau intr-un tampon slab acid. Utilizarea prelungita in solutii puternic alcaline sau chiar in solutii mai putin concentrate de acid fluorhidric reduce foarte mult durata de viata a electrodului deoarece membrana de sticla se va dizolva in timp. Acest lucru apare mai rapid la temperaturi ridicate.
Electrozii combinati trebuie pastrati, peste noapte, imersati in solutie de reumplere. In cazul in care electrodul nu se utilizeaza doua saptamani sau o perioada si mai mare este recomandata o pastrare uscata, iar inainte de o noua folosire trebuie foarte bine umectat.
In jurul electrodului de referinta intern nu trebuie sa existe bule de aer deoarece citirile sunt eronate. Acestea se indeparteaza prin loviri usoare ale electrodului. Daca bulele de aer sunt prinse in cristalele de KCl se poate incalzi usor electrodul pana la max. 60 C, intr-o baie de apa.
Pentru ca in jurul membranei sensibile la pH sa se formeze un strat stabil si hidratat de sticla, inainte cu cateva ore de utilizare un electrod uscat sau unul nou trebuie sa fie inmuiat in apa distilata. Un timp de raspuns normal va fi obtinut dupa aproximativ 24 ore, dar pentru electrozii mici este necesara o perioada de inmuiere mai lunga. Daca este necesar sa se realizeze masuratori inainte de aceasta perioada calibrarile trebuie sa fie repetate mai des datorita drifturilor de potential.
Daca raspunsul electrodului de sticla devine mai lent poate fi de ajutor atacarea chimica usoara a sticlei exterioare. Tratamentul recomandat (care trebuie urmat cand alte masuri au esuat) consta in introducerea electrodului pentru 1 minut in solutie 20% bifluorura de amoniu si apoi timp de 15 sec. in acid clorhidric 6M. Acest tratament trebuie aplicat cu mare atentie pentru ca se poate forma acid fluorhidric. In acest caz electrodul trebuie sa fie clatit complet si inmuiat timp de 24 ore in apa sau in solutii tampon acide.
In solutiile apoase functionarea electrodului de sticla depinde de hidratarea stratului de sticla care se realizeaza la suprafata membranei sensibile la variatiile de pH in momentul inmuierii si masurarii. Sunt posibile masuratori si in medii neapoase sau in solutii partial neapoase atata timp cat electrodul este frecvent rehidratat, adica inmuiat in apa sau in solutie tampon acid. Intre masuratorile intr-un solvent neapos care este nemiscibil cu apa si inainte de inmuiere, electrodul trebuie mai intai clatit cu un solvent care este miscibil atat cu apa cat si cu solventul neapos inainte de clatirea finala cu apa.
Datorita curentilor extrem de mici care trec prin electrodul de sticla , cablul, mufa si conectorii trebuie sa fie mentinuti uscati, pentru a se obtine masuratori cat mai precise.
Durata de viata a electrodului de sticla depinde de un numar mare de factori a caror istorie dau fiecarui electrod o individualitate proprie. Intretinerea corespunzatoare ii prelungeste durata de viata, in timp ce temperaturile ridicate, solutiile alcaline, lovirile repetate cat si o intretinerea defectuoasa ii reduc timpul de viata al electrodului.Oricum, compozitia membranei de sticla se deterioreaza in timp chiar si in timpul pastrarii intr-un mediu uscat. Electrodul standard de sticla poate functiona foarte bine timp de un an sau doi.

Electrodul de referinta
Este, de asemenea important ca si electrodul de referinta sa fie mentinut curat. Se poate spune ca majoritatea problemelor de electrod sunt datorate electrodului de referinta. Acesta poate fi clatit cu aceleasi solutii ca si cele folosite pentru electrodul de sticla.

Fig. 7. Jonctiunea dubla a electrodului de referinta

Electrodul de referinta trebuie sa fie in permanenta aproape plin cu solutia puntii de sare. De obicei se foloseste solutie concentrata de clorura de potasiu.Electrodul de calomel si electrodul cu tija rosie de la Radiometer Analytical necesita solutie saturata de clorura de potasiu (KCl L). Aceasta inseamna ca in solutia puntii de sare ar trebui sa existe mereu cristale de KCl.

Este evident ca electrozii speciali folositi pentru solutii fara clorura sau pentru solutii neapoase trebuie sa fie umpluti cu solutii adecvate. Acestea sunt de obicei solutii de sulfat de potasiu si, respectiv, clorura de litiu. Electrozii de referinta cu punte de sare dubla contin solutie de clorura de potasiu in puntea interioara si o alta sare in cea exterioara (cele mai des folosite sunt solutiile foarte concentrate de KNO₃, NH₄NO₃ si acetat de Li).

Daca electrodul de referinta nu este acoperit si pastrat in mediu uscat ar fi preferabil sa se pastreze intr-un pahar cu solutia puntii de sare. Trebuie avut in vedere ca solutia concentrata de KCl are tendinta de a se scurge.

Sensul fluxului de lichid in electrodul de referinta trebuie sa fie mereu dinspre electrod spre solutia de masura. Cum acest sens unic de curgere poate fi doar partial relizat solutia puntii de sare trebuie schimbata cu regularitate, de exemplu o data pe luna.

Jonctiunile lichide cu fibre sau cu material ceramic pot fi blocate, ocazional, de cristale (de KCl, de exemplu). Daca umezirea cu solutie de KCl nu rezolva problema atunci ar putea fi de ajutor cresterea temperaturii pana la valoarea maxima admisa pentru electrodul de referinta respectiv. Alte tipuri de blocaje pot aparea , de exemplu, la formarea unor precipitate (negre) de clorura de argint sau de sulfura de mercur in porii materialului jonctiunii.Uneori aceste precipitate pot fi indepartate prin curatarea usoara cu ajutorul unei hartii abrazive. Alteori, se aplica o curatare chimica prin umezirea electrodului cu solutia acida de tiouree (tiouree 1M in HCl 0.1M).

Existenta bulelor de aer pot provoca, de asemenea, o proasta functionare a electrodului. Acestea pot fi indepartate prin lovirea usoara a electrodului . Daca problema nu se rezolva astfel, corpul electrodului trebuie scufundat in solutia puntii de sare si incalzit la 60°C.

Durata de viata a electrodului de referinta depinde, de asemenea, de intretinerea sa si mai ales de zona jonctiunii lichide care nu trebuie sa fie niciodata blocata. Electrodul nu trebuie sa fie niciodata uscat si de aceea trebuie sa fie intotdeauna plin cu solutia potrivita, necontaminata, a puntii de sare.In majoritatea cazurilor durata de viata a unui electrod de referinta este de 2 ani.

Daca se respecta recomandarile de mai sus se poate realiza usor o calibrare adecvata. Daca acest lucru nu se intampla electrodul trebuie schimbat sau examinat mult mai atent. Timpul de raspuns al electrodului poate fi verificat in timpul calibrarii.

Citirile de pH in doua solutii tampon trebuie sa fie stabile timp de aproximativ un minut altfel, starea de functionare a electrodului este neadecvata.

In cazul in care se observa o diferenta mare intre doua calibrari succesive se recomanda staruitor sa se noteze valoarea de zero a pH-ului si sensibilitatea dupa fiecare calibrare. In acest scop Radiometer Analytical recomanda folosirea GPL LOGBOOK, care face parte din kit-ul GK ANNEX.

pH-metrul

Un pH-metru masoara diferenta de potential intre doi electrozi (in mV) si apoi converteste in unitati de pH.

Pentru a obtine o masurare corecta, semnalul de intrare al amplificatorului si circuitul convertorului trebuie sa indeplineasca anumite cerinte. Principiul constructiv al unui pH-metru este redat in urmatoarea schema.

Fig. 8. Schema simplificata a unui pH-metru

Diferenta de potential intre electrodul de referinta si electrodul de sticla este amplificat cu ajutorul unui amplificator de mV, inainte de a se converti cu ajutorul unui convertor A/D care transmite semnalul unui microprocesor ce calculeaza rezultatul.
Deoarece un electrod tipic de sticla are o rezistenta interna de ordinul 10⁸Ohmi, amplificatorul trebuie sa aiba o rezistenta de intrare, R_i, mult mai mare. Este necesara o rezistenta de 10¹²Ohm. Din acelasi motiv este foarte important ca amplificatorul sa nu trimita nici un fel de curent prin electrodul de sticla deoarece s-ar inregistra un potential eronat si chiar s-ar putea strica electrodul. Asa numitul curent terminal sau curent de polarizare, I_term, ar trebui sa fie sub 10^-12A.
Cand R_i>>R_g, I_term= 10^-12A si R_g= 10⁸Ohm, eroarea introdusa poate fi calculata, conform legii lui Ohm:

V_eroare= 10^-12A Ohm= 10^-4V= 0.1mV

Pentru a obtine rezultate corecte si convingatoare amplificatorul si alte circuite trebuie sa aiba un coeficient termic mic, adica influenta variatiilor  de temperatura trebuie sa fie sub control.
In mod normal rezultatul este afisat in forma numerica desi mai exista inca pe piata pH-metre cu ac indicator. Pentru a face distinctie intre aceste doua tipuri de afisaje se folosesc, de obicei, termenii analog si digital si, de asemenea, circuit analog sau digital de control/conversie.
Intr-un pH-metru analog stabilirea valorii de zero pentru pH si a sensibilitatii se realizeaza cu ajutorul unor reostate (adjustable resistances-dials), iar amplificarea semnalului este efectuata manual. Semnalul este apoi trecut printr-un convertor A/D. Astfel semnalul la iesire este digital si este afisat in forma numerica. Intr-un pH-metru digital amplificatorul lucreaza in aceleasi conditii si este conectat direct la un convertor A/D. Semnalul de iesire din convertor este manipulat cu ajutorul unui circuit digital si apoi este afisata valoarea calculata a pH-ului. Pentru sistemele cu microprocesor vor fi, de obicei, furnizate soft-uri de recunoastere automata a solutiilor tampon de calibrare si chiar de control automat al stabilitatii semnalului electrodului. Pentru a se evita eventualele interferente trebuie verificate urmatoarele:

• O impamantare adecvata a pH-metrului poate reduce problemele legate de zgomotul pe semnal
• Daca pH-metrul face parte dintr-un sistem de masura mai complex atunci toate instrumentele trebuie conectate in acelasi punct.
• Daca priza de la care se alimenteaza pH-metrul nu are impamatare adecvata atunci trebuie sa se realizeze o legare la pamant separata pentru acesta.
• Cablurile electrodului nu trebuie sa fie paralele cu liniile de camp deoarece s-ar putea produce zgomot pe semnal
• Daca exista contact electric intre solutia de masura si masa (de exemplu prin tuburi sau agitatoare), circuitul pH-metrului trebuie sa fie izolat fata de masa, iar conectarea la alte instrumente (de exemplu aparate de inregistrare sau imprimante) trebuie realizata cu multa grija (este necesara o izolare galvanica). In caz contrar exista riscul de a trece curent prin electrodul de referinta si astfel se pot cauza avarii ireparabile.

Fig.9. pH/Iono-metrul PHM240 pentru masuratori de pH de inalta precizie

Solutii Tampon

Pentru a se face acordul intre electrozi si pH-metru este necesara o calibrare. In acest scop trebuie folosita o solutie cu un pH cunoscut exact. Astfel de solutii trebuie sa fie solutii tampon.
Reactivii folositi la prepararea solutiilor tampon trebuie sa fie foarte pure si stabile, valorile pH-ului sa fie bine stabile, iar potentialul jonctiunii lichide trebuie sa fie de acelasi ordin de marime cu cel al solutiei de determinat. Deoarece aceste cerinte sunt, in parte, contradictorii s-au stabilit 2 serii de solutii tampon: asa numitele tampoane tehnice cu o capacitate de tamponare mare si tampoanele IUPAC/NIST cu o capacitate de tamponare mai mica, care asigura o mai buna precizie deoarece sunt in conformitate cu definitia pH-ului.

Fig. 10 Solutii standard de pH, IUPAC, in sticle de plastic si in cutii metalice

Problema variatiei potentialului jonctiunii lichide este minima pentru probe normale, diluate. Solutiile tampon de la Radiometer Analytical sunt de aceea bazate pe acest concept.
Trebuie mentionat faptul ca solutiile tampon Radiometer Analytical sunt standardizate cu ajutorul electrodului normal de hidrogen. Solutiile tampon Radiometer Analytical masurate cu electrodul normal de hidrogen sunt trasabile direct la cele ale Laboratotoarelor Primare (NIST si Radiometer Medical A/S).
Solutiile tampon folosite astazi au evoluat de-a lungul timpului. Este interesant de notat faptul ca multe din solutiile tampon actuale au fost propuse de S.P.L. Sorensen. R.G. Bates (fost angajat al 'National Bureau of Standards') a cercetat o serie de solutii tampon, iar cercetarile lui constitue baza seriei de solutii tampon IUPAC/NIST. Seria contine 10 solutii tampon care sunt listate in Anexa, impreuna cu dependenta de temperatura a pH-ului.
Aceasta dependenta poate fi exprimata prin formula: pH= A/T+ B+ C.T+ D.T², unde T este temperatura Kelvin. Sunt listati si coeficientii A, B, C si D
Solutiile tampon de precizie au o stabilitate limitata. Este de aceea recomandat ca ele sa fie folosite o perioada scurta de timp, depinzand de cat de precise trebuie sa fie masuratorile. Solutiile tampon alcaline ridica mai multe probleme datorita faptului ca absorb dioxid de carbon. De aceea chiar si solutiile tampon din sticle de plastic, sigilate au o valabilitate redusa si astfel solutia optima este de introducere a acestor sticle de plastic in cutii metalice.
In plus este necesar sa se adauge o anumita cantitate de germicide care sa impiedice cresterea microbiana avand in vedere ca unele solutii tampon sunt excelente medii de cultura. Pe de alta parte, adaugarea de alte solutii in mediile tampon trebuie evitata deoarece pot perturba valoarea pH-ului. Cativa compusi colorati pot cauza probleme deoarece au un efect advers asupra jonctiunii lichide.

Calibrarea

Electrozii nu pot fi produsi cu caracteristici identice. Valoarea de zero a pH-ului si sensibilitatea pot varia in timp si , de asemenea, variaza de la un producator la altul. Calibrarea este operatia prin care se acordeaza pH-metrul la caracteristicile electrozilor. Procedura de calibrare este in general realizata prin masurarea pH-ului in doua solutii tampon. Prin acesta se determina valoarea de zero a pH-ului (pH⁰) si panta (sensibilitatea).

Fig. 11.Curba de Calibrare

In cazu in care s-a efectuat recent o operatie de calibrare, sau in cazul in care masuratorile trebuie efectuate in graba, se realizeaza o calibrare intr-un singur punct prin masurarea intr-o singura solutie tampon. Astfel, se determina decat valoarea pH⁰ si se foloseste sensibilitatea determinata anterior.
Sensibilitatea este de obicei exprimata in procente din valoarea teoretica si trebuie sa fie independenta de temperatura. Precum s-a mentionat anterior, panta exrpimata in mV/pH este direct proportionala cu temperatura.Ca alternativa la exrpimarea in % este folosita o panta realizata la 25 C (100%= 59mV/pH).
pH⁰ este in general folosit pentru a descrie caracteristicile electrodului. Pot fi date potentialele la pH =0 sau la pH =7 pentru 25 C
Calibrarea trebuei realizata in aceeasi maniera, adica trebuie folosit mereu acelasi agitator, acelasi criteriu de stabilitate sau timp de asteptare. Cele doua medii tampon trebuie, de asemenea, sa fie la aceeeasi temperatura, care trebuie sa fie apropiata de temperatura probei. Domeniul de masura trebuie sa fie cuprins intre valorile de pH a celor doua solutii tampon, adica in cazul in care pH-ul probei este in intervalul 4.5, 6.7 este necesar sa se folosesca medii tampon cu pH 4.01 si respectiv pH 7.00. Dar aceleasi solutii tampon pot fi utilizate si in intervalul de pH 3-8.
Multe instrumente controlate de microprocesoare permit autocalibrarea. Aceasta inseamna ca instrumentul poate selecta singur, dintr-o lista predefinita, valorile corecte de pH pentru mediile tampon. Se are , de asemenea, in vedere si dependenta de temperatura. Este evident ca solutiile tampon folosite la autocalibrare trebuie sa aiba valori de pH semnificativ diferite. Folosind o solutie tampon care nu este inclus in lista, de exemplu cu pH 6.86 fata de pH 7.00, calibrarea va fi incorecta.

Influenta Temperaturii

Temperatura joaca un rol important deorece de ea depinde pH-ul probei, pH-ul solutiei tampon cat si caracteristicile electrodului. Dependenta de temperatura a solutiilor tampon de la Radiometer Analytical este indicata pe spatele sticlei. Dependenta de temperatura a pH-ului mediilor tampon de acizi anorganici este nesemnificativa, in timp ce pentru solutiile tampon alcaline si pentru cateva medii tampon organice aceasta dependenta este semnificativa (a se vedea Anexa). In cazul electrozilor, din panta se poate realiza o compesare a influentei temperaturii. Pe de alta parte, nu se poate realiza nici o compensatie in cazul schimbarilor de pH cauzate de alterarea potentialului de referinta, sau daca se modifica pH-ul solutiei interne a electrodului. In final, dependenta pH-ului probei de temperatura nu este cunoscuta. De aceea este esential sa se inregistreze si temperatura impreuna cu pH-ul.
In concluzie, proba, solutiile tampon si electrozii tebuie sa fie la aceeasi temperatura. Se pot realiza unele compensari, dar este imposibil sa se calculeze pH-ul unei probe de masurat la o temperautra fata de pH-ul probei la o alta temperatura (de referinta).
Teoretic masuratorile si calibrarea trebuie realizate la aceeasi temperatura, dar, in majoritatea cazurilor,se accepta o diferenta de temperatura de 2 pana la 5 C.
Reprezetand grafic tensiunea (mV) in functie de pH la diferite temperaturi se va vedea ca, pentru majoritatea electrozilor, liniile se vor intersecta in acelasi punct (fig. 12). Acest punct este numit izopotential sau izo-pH. Daca, prin calcul sau prin circuitul electric, punctele pH⁰ si izo-pH coincid, se realizeaza o compensatie din dependenta de temperatura a electrodului si astfel vor fi posibile masuratori intr-un domeniu de temperatura destul de mare. Erorile pot fi controlate daca se efectueaza masuratorile si calibrarea la doua temperaturi distincte. Daca electrodul de sticla si electrodul de referinta au un sistem electrochimic asemanator, cum sunt de exemplu seria de electrozi Radiometer Analytiacal pHC2xxx, domeniul de temperatura permis este mai mare decat in cazul in care acestia sunt diferiti.
Izo-pHul este determinat, de obicei, cand se realizeaza o a treia calibrare. Solutia tampon folosita pentru acesta calibrare trebuie sa coincida cu una din cel doua medii tampon folosite la calibrarea propriu-zisa, dar temperatura trebuie sa difere cu cel putin 20 C.
Daca sunt determinate pH⁰, sensibilitatea si izo-pHul se poate calcula pH-ul utilizand formula:

Fig.12. Definirea izo-pH-ului

Masuri de precautie

Obtinerea de rezultate precise depinde de:

• Utilizarea unui echipament de calitate
• Intretinerea electrozilor
• Masuratori in conditii optime
• Aplicarea unor proceduri adecvate.

Pentru a se obtine rezultate bune calibrarea trebuie efectuata cu regularitate. Este foarte important sa se urmeze aceeasi procedura pentru masuratori pe probe de acelasi tip. De exemplu, conditiile de agitare trebuie sa fie identice atat pentru calibrare cat si pentru probe. Similar, criteriul de stabilitatea semnalului electrodului nu trebuie sa se modifice in timpul unei masuratori. Acest lucru este usor de realizat folosind un pH-metru modern, cu microprocesor, cand stabilitatea semnalului electrodului este monitorizata automat.

Uneori pot aparea rezultatele mai neobisnuite in suspensii si coloizi. De fapt sunt masurate trei valori de pH diferite. Daca solutia se agita puternic se obtine o singura valoare. Pe de alta parte, la solutiile neagitate si la care precipitatul se sedimenteaza se masoara doua valori de pH: una masurata cand electrodul este introdus in stratul de precipitat sedimentat si alta cand electrodul este in contact cu lichidul de deasupra.

Electrozii trebuie fixati bine in paharele in care se fac masuratorile. De aceea se recomanda sa se folosesca suporturi pentru electrozi, care indeplinesc aceste conditii.

Pentru ca temperatura sa fie sub control se utilizeaza o baie termostatata.

Pentru masuratori in solutii cu conductivitate scazuta (acestea sunt de obicei solutii neapoase) este necesara o ecranare metalica a paharului ce contine solutia de masura. In unele cazuri, ca alternativa, se poate folosi o sare (solubila) conductiva cand sunt necesari alti electrozi de referinta care sunt compatibili cu solutiile neapoase, sau care au un flux mai mare de solutie electrolitica.

Verificarea aparatului de masura

Daca apar probleme, de exemplu in timpul calibrarii, este recomandabil sa se indeparteze electrozii astfel incat sa se separe cele doua tipuri de probleme. Exista simulatoare pentru electrozi dar nu sunt la indemana si sunt foarte scumpe. O verificare mai ieftina si inca eficienta poate fi facuta astfel:

1. Se verifica pH-metrul in domeniul de mV. Se conecteaza intrarea de impedanta mare (pentru electrodul de sticla) la intrarea de impedanta joasa (pentru electrodul de referinta).
2. pH-metrul trebuie sa afiseze doar cativa mV, ideal ar fi 0.0 mV. Se conecteaza o celula uscata de 1.5V cu aceleasi intrari ca la electrod. Aparatul de masura, depinzand si de starea celulei uscate, trebuie sa afiseze un rezultat in vecinatatea valorii de 1.5V.
3. Se trece pH-metrul pe modul pH  si se conecteaza din nou intrarea de impedanta mare cu cea de impedanta mica.
4. Se aduce temperatura la 25 C si se ajusteaza (daca este posibil) sensibilitatea la 100% (59mV/pH). Majoritatea pH-metrelor afiseaza in acesta situatia o valoarea de pH intre 5.5 si 8.0. In cazul in care pH-metrul are o scala de standardizare a solutiilor tampon, schimband scala nu trebuie sa se modifice valoarea afisata.
5. Se conecteaza din nou celula de 1.5V. Valoarea afisata trebuie sa iasa din scala. Cum 60 mV corespund la aproximativ pH 1, 1.5V corespund la pH 25.

Verificarile anterioare indica faptul ca atat pH-metrul cat si afisajul si microprocesorul, in cazul in care exista, functioneaza corect. Pot fi, insa defecte atat circuitul de intrare sau semnalul de intrare al amplificatorului, adica intrarea de impedanta mica si terminalul de curent mare. Acest lucru poate fi verificat in cazul in care este disponibila o rezistenta ohmica mare. Verificarea se realizeaza in felul urmator:

1. Se scurtcircuiteaza intrarile pentru impedanta mica si pentru impedanta mare asa cum s-a procedat anterior (scala de mV). Se noteaza valoarea afisata.
2. Se repeta aceasta actiune dar folosind o rezistenta de 1GOhm (1000 MOhm). Se noteaza valoarea afisata. Diferenta nu trebuie sa fie mai mare de aproximativ 1 mV.
3. Se conecteaza din nou celula de 1.5 V si se noteaza valoarea afisata.
4. Se conecteaza celula uscata prin rezistenta de 1GOhm si se noteaza valoarea afisata. Diferenta nu trebuie sa depaseasca cativa mV.

Anexa

pH-ul solutiilor tampon la diferite temperaturi

Fig.13. pH-ul la diferite temperaturi este indicat clar pe sticlele solutiilor tampon Radiometer Analytical

Solutiile tampon furnizate de Radiometer Analytical au urmatoarele compozitii:

HCl (pH1.094): 0.1 M HCl, cod catalog: S11M009.

Oxalat (pH 1.679): 0.05 m KH₃C₄O₈, cod catalog: S11M001.

Ftalat (pH 4.005): 0.05 m KHC₈H₄O₄, cod catalog: S11M002.

Acetat (pH 4.650): 0.1/0.1 M C₂H₄O₂/C₂H₃O₂Na, cod catalog: S11M010.

Fosfat (pH 6.865): 0.025/0.025 m KH₂PO₄/Na₂HPO₄, cod catalog:. S11M003.

Fosfat (pH 7.000): KH₂PO₄/Na₂HPO₄, cod catalog:. S11M004.

Fosfat (pH 7.413): 0.008695/0.03043 m KH₂PO₄/Na₂HPO₄, cod catalog: S11M005.

Borat (pH 9.180): 0.01 m Na₂B₄O₇, cod catalog: S11M006.

Carbonat (10.012): 0.025/0.025 m NaHCO₃/Na₂CO₃, cod catalog: S11M007.

Ca(OH)₂ (pH 12.45): Solutie Saturata (la 25°C) si filtrata, cod catalog: S11M008.

Patentul celui de-al doilea tampon fosfat apartine Radiometer Analytical.Celelalte solutii tampon sunt specificate prin IUPAC/NIST sau DIN 19266/19267.

Nu sunt disponibile la Radiometer Analytical urmatoarele solutii tampon:

Tartrat (pH 3.557): Saturat (la 25°C) KHC4H4O6.

Citrat (pH 3.776): 0.05 m KH2C6H5O7.

Tris (pH 7.699): 0.01667/0.05 m Tris/Tris-HCl.

Bibliografie

1. S.P.L. Sørensen, Comptes-Rendus des Travaux du Laboratoire de Carlsberg 8me Volume 1re Livraison, Copenhague, 1909.

2. R.G. Bates, Determination of pH, Wiley, New York, 1965.

3. Hans Bjarne Christensen, Arne Salomon and Gert Kokholm,International pH Scales and Certification of pH,Anal. Chem. vol. 63, no. 18, 885A - 891A ,1991.