Medidor de pH
Un pHmetro es un instrumento científico que mide la actividad de iones de hidrógeno en soluciones a base de agua, indicando su acidez o alcalinidad expresada como pH. El medidor de pH mide la diferencia de potencial eléctrico entre un electrodo de pH y un electrodo de referencia, por lo que a veces se hace referencia al medidor de pH como un "medidor de pH potenciométrico". La diferencia de potencial eléctrico se relaciona con la acidez o el pH de la solución. La prueba de pH a través de medidores de pH (pH-metría) se utiliza en muchas aplicaciones que van desde la experimentación de laboratorio hasta el control de calidad.
Aplicaciones
La velocidad y el resultado de las reacciones químicas que tienen lugar en el agua a menudo dependen de la acidez del agua y, por lo tanto, es útil conocer la acidez del agua, normalmente medida por medio de un medidor de pH. El conocimiento del pH es útil o crítico en muchas situaciones, incluidos los análisis de laboratorio químico. Los medidores de pH se utilizan para mediciones de suelo en agricultura, calidad del agua para suministros de agua municipales, piscinas, remediación ambiental; elaboración de vino o cerveza; aplicaciones de fabricación, atención médica y clínicas, como la química sanguínea; y muchas otras aplicaciones.
Los avances en la instrumentación y en la detección han ampliado el número de aplicaciones en las que se pueden realizar mediciones de pH. Los dispositivos se han miniaturizado, lo que permite la medición directa del pH dentro de las células vivas. Además de medir el pH de los líquidos, existen electrodos especialmente diseñados para medir el pH de sustancias semisólidas, como los alimentos. Estos tienen puntas adecuadas para perforar semisólidos, tienen materiales de electrodos compatibles con los ingredientes de los alimentos y son resistentes a la obstrucción.
Diseño y uso
Principio de funcionamiento
Los medidores de pH potenciométricos miden el voltaje entre dos electrodos y muestran el resultado convertido en el valor de pH correspondiente. Comprenden un amplificador electrónico simple y un par de electrodos, o alternativamente un electrodo combinado, y alguna forma de pantalla calibrada en unidades de pH. Suele tener un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia, o un electrodo combinado. Los electrodos, o sondas, se insertan en la solución que se va a probar. Los medidores de pH también pueden basarse en el electrodo de antimonio (usado típicamente para condiciones difíciles) o el electrodo de quinhidrona.
Para medir con precisión la diferencia de potencial entre los dos lados del electrodo de referencia de la membrana de vidrio, normalmente se requiere un electrodo de cloruro de plata o un electrodo de calomelanos en cada lado de la membrana. Su propósito es medir los cambios en el potencial de su lado respectivo. Uno está integrado en el electrodo de vidrio. El otro, que hace contacto con la solución de prueba a través de un tapón poroso, puede ser un electrodo de referencia separado o puede integrarse en un electrodo combinado. El voltaje resultante será la diferencia de potencial entre los dos lados de la membrana de vidrio posiblemente compensada por alguna diferencia entre los dos electrodos de referencia, que se puede compensar. El artículo sobre el electrodo de vidrio tiene una buena descripción y figura.
El diseño de los electrodos es la parte clave: se trata de estructuras en forma de varilla, generalmente hechas de vidrio, con un bulbo que contiene el sensor en la parte inferior. El electrodo de vidrio para medir el pH tiene un bulbo de vidrio específicamente diseñado para ser selectivo a la concentración de iones de hidrógeno. Al sumergirse en la solución a probar, los iones de hidrógeno en la solución de prueba se intercambian por otros iones cargados positivamente en el bulbo de vidrio, creando un potencial electroquímico a través del bulbo. El amplificador electrónico detecta la diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos generados en la medición y convierte la diferencia de potencial a unidades de pH. La magnitud del potencial electroquímico a través del bulbo de vidrio está relacionada linealmente con el pH de acuerdo con la ecuación de Nernst.
El electrodo de referencia es insensible al pH de la solución, al estar compuesto por un conductor metálico, que se conecta a la pantalla. Este conductor se sumerge en una solución de electrolito, típicamente cloruro de potasio, que entra en contacto con la solución de prueba a través de una membrana cerámica porosa. La pantalla consta de un voltímetro, que muestra el voltaje en unidades de pH.
Al sumergir el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia en la solución de prueba, se completa un circuito eléctrico en el que existe una diferencia de potencial creada y detectada por el voltímetro. Se puede pensar que el circuito va desde el elemento conductor del electrodo de referencia hasta la solución de cloruro de potasio circundante, a través de la membrana cerámica hasta la solución de prueba, el vidrio selectivo de iones de hidrógeno del electrodo de vidrio, hasta la solución dentro del electrodo de vidrio, a la plata del electrodo de vidrio, y finalmente el voltímetro del dispositivo de visualización. El voltaje varía de una solución de prueba a otra dependiendo de la diferencia de potencial creada por la diferencia en las concentraciones de iones de hidrógeno en cada lado de la membrana de vidrio entre la solución de prueba y la solución dentro del electrodo de vidrio. Todas las demás diferencias de potencial en el circuito no varían con el pH y se corrigen mediante la calibración.
Para simplificar, muchos medidores de pH usan una sonda combinada, construida con el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia dentro de una sola sonda. En el artículo sobre electrodos de vidrio se proporciona una descripción detallada de los electrodos combinados.
El medidor de pH se calibra con soluciones de pH conocido, generalmente antes de cada uso, para garantizar la precisión de la medición. Para medir el pH de una solución, los electrodos se usan como sondas, que se sumergen en las soluciones de prueba y se mantienen allí el tiempo suficiente para que los iones de hidrógeno en la solución de prueba se equilibren con los iones en la superficie del bulbo del electrodo de vidrio.. Este equilibrio proporciona una medición de pH estable.
Electrodo de PH y diseño de electrodo de referencia
Los fabricantes mantienen los detalles de la fabricación y la microestructura resultante de la membrana de vidrio del electrodo de pH como secretos comerciales. Sin embargo, se publican ciertos aspectos del diseño. El vidrio es un electrolito sólido, por el cual los iones de metales alcalinos pueden transportar corriente. La membrana de vidrio sensible al pH es generalmente esférica para simplificar la fabricación de una membrana uniforme. Estas membranas tienen un grosor de hasta 0,4 milímetros, más gruesas que los diseños originales, para que las sondas sean duraderas. El vidrio tiene una funcionalidad química de silicato en su superficie, que proporciona sitios de unión para los iones de metales alcalinos y los iones de hidrógeno de las soluciones. Esto proporciona una capacidad de intercambio iónico en el rango de 10−6 a 10−8 mol/cm2. La selectividad por los iones de hidrógeno (H+) surge de un equilibrio de carga iónica, requisitos de volumen frente a otros iones y el número de coordinación de otros iones. Los fabricantes de electrodos han desarrollado composiciones que equilibran adecuadamente estos factores, sobre todo el vidrio de litio.
El electrodo de cloruro de plata se usa más comúnmente como electrodo de referencia en medidores de pH, aunque algunos diseños usan el electrodo de calomelano saturado. El electrodo de cloruro de plata es simple de fabricar y proporciona una alta reproducibilidad. El electrodo de referencia generalmente consta de un alambre de platino que tiene contacto con una mezcla de plata/cloruro de plata, que se sumerge en una solución de cloruro de potasio. Hay un tapón de cerámica, que sirve como contacto con la solución de prueba, proporcionando baja resistencia y evitando que se mezclen las dos soluciones.
Con estos diseños de electrodos, el voltímetro detecta diferencias de potencial de ±1400 milivoltios. Los electrodos están además diseñados para equilibrarse rápidamente con las soluciones de prueba para facilitar su uso. Los tiempos de equilibrio suelen ser inferiores a un segundo, aunque los tiempos de equilibrio aumentan a medida que envejecen los electrodos.
Mantenimiento
Debido a la sensibilidad de los electrodos a los contaminantes, la limpieza de las sondas es esencial para la exactitud y la precisión. Las sondas generalmente se mantienen húmedas cuando no se usan con un medio apropiado para la sonda en particular, que suele ser una solución acuosa disponible de los fabricantes de sondas. Los fabricantes de sondas brindan instrucciones para la limpieza y el mantenimiento de sus diseños de sondas. Por ejemplo, un fabricante de pH de laboratorio da instrucciones de limpieza para contaminantes específicos: limpieza general (remojo de 15 minutos en una solución de lejía y detergente), sal (solución de ácido clorhídrico seguida de hidróxido de sodio y agua), grasa (detergente o metanol), unión de referencia obstruida (solución de KCl), depósitos de proteínas (pepsina y HCl, solución al 1 %) y burbujas de aire.
Calibración y funcionamiento
El Instituto Alemán de Normalización publica un estándar para la medición del pH con medidores de pH, DIN 19263.
Las mediciones muy precisas requieren que el medidor de pH esté calibrado antes de cada medición. Más típicamente, la calibración se realiza una vez por día de operación. La calibración es necesaria porque el electrodo de vidrio no genera potenciales electrostáticos reproducibles durante largos períodos de tiempo.
En consonancia con los principios de las buenas prácticas de laboratorio, la calibración se realiza con al menos dos soluciones tampón estándar que abarquen el rango de valores de pH a medir. Para fines generales, son adecuados los tampones a pH 4,00 y pH 10,00. El medidor de pH tiene un control de calibración para igualar la lectura del medidor al valor del primer tampón estándar y un segundo control para ajustar la lectura del medidor al valor del segundo tampón. Un tercer control permite ajustar la temperatura. Los sobres de tampón estándar, disponibles de una variedad de proveedores, generalmente documentan la dependencia de la temperatura del control del tampón. Las mediciones más precisas a veces requieren calibración a tres valores de pH diferentes. Algunos medidores de pH proporcionan corrección de coeficiente de temperatura incorporada, con termopares de temperatura en las sondas de electrodo. El proceso de calibración correlaciona el voltaje producido por la sonda (aproximadamente 0,06 voltios por unidad de pH) con la escala de pH. Las buenas prácticas de laboratorio dictan que, después de cada medición, las sondas se enjuagan con agua destilada o agua desionizada para eliminar cualquier rastro de la solución que se está midiendo, se secan con una toallita científica para absorber cualquier resto de agua, que podría diluir la muestra y alterar así el lectura y luego se sumerge en una solución de almacenamiento adecuada para el tipo de sonda en particular.
Tipos de medidores de pH
En general, hay tres categorías principales de medidores de pH. Los medidores de pH de sobremesa a menudo se usan en laboratorios y se usan para medir muestras que se llevan al medidor de pH para su análisis. Los medidores de pH portátiles o de campo son medidores de pH portátiles que se utilizan para medir el pH de una muestra en un campo o sitio de producción. Los medidores de pH en línea o in situ, también llamados analizadores de pH, se utilizan para medir el pH de forma continua en un proceso y pueden ser independientes o estar conectados a un sistema de información de nivel superior para el control del proceso.
Los medidores de pH van desde dispositivos simples y económicos similares a bolígrafos hasta instrumentos de laboratorio complejos y costosos con interfaces de computadora y varias entradas para indicadores y mediciones de temperatura que se deben ingresar para ajustar la variación de pH causada por la temperatura. La salida puede ser digital o analógica, y los dispositivos pueden funcionar con batería o depender de la alimentación de línea. Algunas versiones usan telemetría para conectar los electrodos al dispositivo de visualización del voltímetro.
Los medidores y sondas especiales están disponibles para su uso en aplicaciones especiales, como entornos hostiles y microentornos biológicos. También existen sensores de pH holográficos, que permiten medir el pH colorimétricamente, haciendo uso de la variedad de indicadores de pH disponibles. Además, existen medidores de pH disponibles comercialmente basados en electrodos de estado sólido, en lugar de electrodos de vidrio convencionales.
Historia
El concepto de pH fue definido en 1909 por S. P. L. Sørensen, y los electrodos se utilizaron para medir el pH en la década de 1920.
En octubre de 1934, Arnold Orville Beckman registró la primera patente de un instrumento químico completo para la medición del pH, la patente de EE. UU. n.° 2.058.761, para su "acidímetro", más tarde rebautizado como medidor de pH. Beckman desarrolló el prototipo como profesor asistente de química en el Instituto de Tecnología de California, cuando se le pidió que diseñara un método rápido y preciso para medir la acidez del jugo de limón para California Fruit Growers Exchange (Sunkist).
El 8 de abril de 1935, los Laboratorios Técnicos Nacionales de Beckman se centraron en la fabricación de instrumentos científicos, con Arthur H. Thomas Company como distribuidor de su medidor de pH. En su primer año completo de ventas, 1936, la compañía vendió 444 medidores de pH por $60,000 en ventas. En los próximos años, la compañía vendió millones de unidades. En 2004, el medidor de pH Beckman fue designado Monumento Químico Histórico Nacional de la ACS en reconocimiento a su importancia como el primer medidor de pH electrónico comercialmente exitoso.
La Corporación Radiometer de Dinamarca se fundó en 1935 y comenzó a comercializar un medidor de pH para uso médico alrededor de 1936, pero "se descuidó el desarrollo de medidores de pH automáticos para fines industriales". En cambio, los fabricantes de instrumentos estadounidenses desarrollaron con éxito medidores de pH industriales con una amplia variedad de aplicaciones, como en cervecerías, fábricas de papel, fábricas de alumbre y sistemas de tratamiento de agua."
En la década de 1940, los electrodos para medidores de pH a menudo eran difíciles de fabricar o poco confiables debido al vidrio quebradizo. El Dr. Werner Ingold comenzó a industrializar la producción de celdas de medición de varilla única, una combinación de electrodo de referencia y de medición en una unidad de construcción, lo que generó una mayor aceptación en una amplia gama de industrias, incluida la producción farmacéutica.
Beckman comercializó un "medidor de pH de bolsillo" ya en 1956, pero no tenía una lectura digital. En la década de 1970, Jenco Electronics de Taiwán diseñó y fabricó el primer medidor de pH digital portátil. Este medidor se vendió bajo la etiqueta de Cole-Parmer Corporation.
Construyendo un medidor de pH
Se requiere una fabricación especializada para los electrodos, y los detalles de su diseño y construcción suelen ser secretos comerciales. Sin embargo, con la compra de electrodos adecuados, se puede usar un multímetro estándar para completar la construcción del medidor de pH. Sin embargo, los proveedores comerciales ofrecen pantallas de voltímetro que simplifican el uso, incluida la calibración y la compensación de temperatura.
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